(pre)Cari Amici #4 – Ricercatori alla corte di sua Maestà

 

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Alessandro Fregoso, che sta sostenendo un dottorato di ricerca in fisica, ha intervistato due nostri conterranei che stanno facendo i ricercatori in Inghilterra. Un interessante spaccato della vita dei cosiddetti “cervelli in fuga” è il protagonista di questa quarta puntata di (pre)Cari Amici. Raccontateci la vostra storia, e noi la pubblicheremo. Farlo è semplicissimo, basta cliccare su “Contattaci” o sul banner qua di lato.

La Redazione di Camminando Scalzi.

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Un tavolino, un caffè, magari un muffin (che in Gran Bretagna ‘o sanno fa) ed è pronta un’ottima scusa per chiaccherare un po’, specialmente se si tratta di prendersi una pausa dai fogli, dallo schermo, dai conti, dai grafici, insomma dall’odi et amo quotidiano. Essendo quindi ben consapevole che non avrebbero potuto resistere a una proposta così allettante, sono riuscito a incontrarmi con la dott.ssa Stefania Maccalli e il dott. ing. Ruggero Poletto, due dottorandi presso la University of Manchester, in Inghilterra, e a porre loro qualche domanda sulla loro esperienza nel variopinto calderone della ricerca scientifica.

Chiariamoci subito: voi non siete veri dottori, giusto?

Facce basite, mezzi sorrisi, un silenzio imbarazzato che grida, letteralmente, “ma che sta addì”. Urge precisazione.

Nelle conversazione più normali, “dottore” è quasi sempre sinonimo di “medico” e so, per esperienza personale e non, che può capitare di avere l’impressione che il proprio titolo di studio non venga considerato come ci si aspetterebbe perché non corrisponde a una professione tradizionalmente “rispettabile”. Avete anche voi qualche esperienza a riguardo?

Stefania: Una volta, parlando con una persona appena conosciuta, ci si diceva cosa si fa nella vita, e io raccontai che ero laureata in fisica. Al che mi fu ribattuto “ah sì, avrei proprio un po’ di pancetta da buttar giù, non è che potresti consigliarmi cosa fare in palestra?”. È vero, il nome è simile, ma l’educazione fisica è decisamente un altro ambito della conoscenza…

Ruggero: In realtà il titolo di ingegnere rientrerebbe anche tra quelli “rispettabili”, ma appena m’hanno dato in mano la laurea mi hanno detto: “tu sei dottore in ingegneria ma non sei ancora ingegnere perché ti manca l’esame di stato”, per cui mi sento sempre come qualcuno a cui manca qualcosa per essere qualcos’altro.

Raccontatemi un po’ della vostra formazione.

R.: Ho fatto il liceo scientifico in una piccola scuola di paese dove ci conosciamo tutti, poi sono andato a Padova a fare la laurea triennale e specialistica in ingegneria aerospaziale, dopodiché ho provato a trovare un’occupazione in Italia, non ho trovato niente che mi piacesse in maniera sostanziale, e soprattutto che mi permettesse di mettere in pratica quel che avevo imparato, per non parlare dell’aspetto economico, il più delle volte in uno stato desolante. Allora ho preso armi e bagagli, e ho deciso di approfondire i miei studi con un dottorato, e ho trovato il più adatto a me qui in Inghilterra.

S.: Alle elementari ho avuto la maestra unica, una seconda mamma che è stata capace di insegnarmi a ragionare, a imparare. Poi il periodo buio delle medie, il liceo scientifico con indirizzo informatico, che però non m’ha dato niente di diverso da un normale liceo; Università Cattolica di Brescia per tre anni a studiare fisica, spesso in corsi con più professori che studenti, quindi seguiti molto da vicino, fantastico. Tentativo di laurea specialistica fallito per varie incompatibilità di piano di studi, dopodiché sono venuta a sapere da amici di amici di amici che qua si poteva fare il dottorato anche solo con la laurea triennale e ho fatto subito le valigie.

Albert Einstein sosteneva che ogni scienziato dovrebbe essere in grado di spiegare di cosa si occupa alla propria nonna. Di cosa vi occupate, cari nipotini?

R.: Per risolvere problemi come ad esempio progettare un’ala o studiare il rumore prodotto da una turbina, spesso si usano simulazioni al computer. Per farle ci sono principalmente due metodi: uno veloce ma molto approssimativo e uno lento ma più accurato. Io sto cercando di creare un sistema ibrido che riesca a mettere insieme i vantaggi degli altri due.

S.: Mi occupo di ottica, cioè di ciò che riguarda la luce (e non di occhiali!). Recentemente sono state scoperte nuove proprietà dei fotoni, che sono le particelle di cui è fatta la luce, ed è possibile sfruttarle per capire di più delle stelle da cui la luce arriva fin qua. Io sto pensando agli strumenti che ci permetteranno di ottenere queste informazioni.

Scegliere di fare ricerca scientifica non vuol dire mai intraprendere una strada comoda, in nessun periodo storico. Come mai avete preso questa direzione?

S.: La botta in testa vocazionale risale al periodo delle elementari, appena ho potuto cominciare a leggere i libri di Asimov di mio papà. Dalla fantascienza è nato poi l’amore per l’astrofisica, che dura tutt’ora.

R.: Ci sono tante ragioni, ma credo che la più importante sia quella che dovrebbe esser valida per ogni scelta, e cioè la passione per quello che si sta facendo. Non sono mai stato attratto dall’idea dell’ingegnere che gestisce l’azienda, che fa il manager; mi interessano molto di più le sfide che si affrontano nella progettazione e nella ricerca.

Il caffè che non è ancora stato bevuto si sta raffreddando, il sole ormai basso fa capolino tra gli alberi immergendo il locale in un tepore che sa già di ritorno a casa per cena. È il momento ideale per una marzullata.

Scienziati si nasce o si diventa?

S.: Direi che si nasce, perlomeno in certi casi eclatanti. Ma se incontri le persone giuste, puoi anche imparare ad apprezzare l’ambiente e ad appassionartene col tempo. Ci sono persone che si innamorano con un colpo di fulmine, e altre che ci mettono di più a rendersene conto.

R.: Probabilmente nasci con la passione, poi sta a te far diventare questa passione una scelta di vita. È come il calcio, nasci con la dote giusta, ma se non ti alleni è inutile, non diventerai mai un calciatore.

Cosa vuol dire per te fare scienza, qui e ora?

S.: Per me innanzitutto è vivere un sogno che non speravo più di riuscire a realizzare. Poi è qualcosa che è soltanto per la conoscenza, la soddisfazione di aggiungerci il proprio pezzettino, anche se non dovesse comportare gratificazioni né sociali né economiche. Il bello è anche potersi confrontare con tante altre persone da tutto il mondo che condividono i tuoi stessi metodi e le tue stesse motivazioni.

R.: A me pare che la storia sia stata fatta e sia fatta tutt’ora da dei piccoli esserini come te e me, che cercano di risolvere i loro problemi, piccoli o grandi che siano. C’era il problema del trasporto, e qualcuno s’è detto “bè, quasi quasi mi invento la ruota”, e questo è fare scienza: cercare di risolvere i nostri piccoli problemi e migliorarci un po’ la vita.

Uno dei padri della fisica moderna, Niels Bohr, asseriva che fare previsioni è molto difficile, specialmente del futuro. Ciononostante, vi chiedo di provare a dare un’occhiata nei prossimi anni: quali sono le vostre speranze e che cosa vi aspettate?

R.: Innanzitutto spero di finire il dottorato in tempo, e dopo mi piacerebbe tornare in Italia ad applicare quello che ho imparato. Il resto lo scopriremo solo vivendo, d’altronde se m’avessi fatto la stessa domanda qualche anno fa, mai t’avrei detto che mi sarei ritrovato a Manchester, men che meno a farmi fare un’intervista!

S.: Come primo obbiettivo, finire il dottorato, mettere la mia bandierina sulla cima della montagna, magari nel frattempo avendo realizzato qualcosa di utile anche per altra ricerca. Se poi potessi continuare a far ricerca, non importa dove, sarebbe il massimo. E anche farsi una famiglia…

Chiudiamo in bellezza: un consiglio per chi sta muovendo i primi passi verso una vita dedicata alla scienza.

R.: Lasciate perdere, ho già abbastanza concorrenza!

S.: Fatevi curare!

 

Che dite, questi scienziati ci stanno già diventando troppo british? Tanti saluti ai continentali!

 

Da Ginevra con furore.

Uno dei primi articoli che mi sono trovato a scrivere all’inizio della mia esperienza con Camminando Scalzi – poco più di un anno fa – trattava di LHC, in un periodo in cui l’acceleratore europeo era balzato agli onori delle cronache per presunte catastrofi naturali imminenti che si sarebbero dovute verificare a causa delle altissime densità di energia derivanti dalle reazioni scatenate all’interno dei 27 km di tunnel che corrono sotto Ginevra. Bene, a un anno di distanza, possiamo affermare con certezza due cose: la prima è che nessun buco nero ha ancora inghiottito la terra; la seconda è che il macchinone, dopo un po’ di problemi iniziali, funziona ottimamente, e sputa fuori dati in quantità industriale. Ecco quel che si è scoperto, in un anno di esperimenti al CERN.

IMPORTANTI CONFERME

I primi esperimenti condotti con LHC hanno riguardato le collisioni tra protoni, condotte a energie attorno ai 7 TeV, ovvero circà metà della massima energia attualmente raggiungibile. Sono state raccolte importanti conferme a proposito del Modello Standard, ovvero il modello che regola tutto quel che sappiamo della fisica delle particelle e delle alte energie. Dalle parole del direttore generale del CERN Rolf Heuer: “riscoprire i nostri vecchi amici nel mondo delle particelle mostra che gli esperimenti di LHC sono pronti ad avventurarsi in nuovi territori”, e se lo dice lui c’è da fidarsi. Insomma, la fase che si è appena conclusa può essere considerata un po’ come il warm up di qualcosa di ben più nuovo. A parte infatti ulteriori indagini riguardo la natura dell’antimateria e la sua assenza all’interno dell’universo conosciuto (un problema di cui avevamo già discusso, ricordate?), questi primi test hanno fatto da test bench avanzato per il sistema CERN nel suo complesso, e i loro dati servono nella duplice funzione di ricerca e di baseline per le future misurazioni.

NUOVE PROSPETTIVE

Le nuove misure che verranno condotte a breve con LHC saranno incentrate invece sull’analisi delle collisioni tra ioni di piombo. Essendo molto più massivo di un singolo protone, un nucleo di piombo è in grado di sprigionare molta più energia nei suoi impatti. Maggiore energia disponibile significa migliori capacità di investigazione della materia e delle regole che ne determinano le trasformazioni. L’impatto di ioni pesanti come quelli di piombo permetterebbe di creare quello che viene definito come plasma di quark e gluoni (rispettivamente, le componenti interne delle particelle più massive e la particella che permette loro di stare attaccate), le cui caratteristiche dovrebbero essere affini a quelle della materia che permeava i primissimi istanti di vita del nostro universo. A quell’epoca infatti la materia come la conosciamo oggi non sarebbe mai potuta esistere: troppa radiazione, troppo calore perché i quark potessero legarsi tra loro attraverso i gluoni, formando protoni e neutroni. Le collisioni tra ioni pesanti in LHC permettono di concentrare sufficiente energia in un ristretto volume di spazio, determinando la formazione di piccole “gocce” di questa materia primordiale, la cui creazione è segnalata da un vasto range di segnali misurabili.I primi risultati mostrano come questo plasma si comporti in effetti come un liquido perfetto, ovvero sia in grado di scorrere su sé stesso senza attrito. Queste caratteristiche, apparentemente poco importanti nell’ottica dei risultati che si vogliono ottenere, in realtà hanno implicazioni dirette sulle ipotesi che sono state effettuate riguardo ai possibili modelli fisici studiati per descrivere questo tipo di contesti, e permettono di restringere il range di variabili sconosciute in gioco. O quantomeno, di evitare di generare singolarità gravitazionli che distruggano ogni cosa…

Il gatto di Schrodinger è vivo e cerca di conquistare il mondo

Ritorna anche questa settimana la scienza su Camminando Scalzi! Questa volta voglio provare a spiegare a parole una delle branche più mistiche e imperscrutabili della fisica moderna: la meccanica quantistica! Non dovrete preoccuparvi tuttavia di dover decifrare astruse formule matematiche, quel che vi chiedo di avere è soltanto un po’ di apertura mentale, quel tanto che vi basta per andare contro le vostre intuizioni riguardo il funzionamento del nostro universo. Pronti?

VOI SIETE PROBABILMENTE QUI

La meccanica quantistica è uno dei più rappresentativi prodotti dei “30 anni che scossero la fisica”, quel periodo di tempo a inizio ‘900 che vide una fortissima progressione nella nostra comprensione delle leggi dell’universo. Sono gli anni della teoria della relatività di Einstein, degli esperimenti di Enrico Fermi sull’energia nucleare, e della meccanica ondulatoria di Schrodinger ed Heisenberg. È un epoca in cui la concezione classica che fino a quel momento si aveva inizia a mostrare forti incompatibilità con i primi esperimenti riguardo la natura subatomica della materia. Se fino ad allora il concetto di particella come corpo puntiforme, con posizione e velocità determinate e distinguibile da tutte le sue sorelle che la circondano, era valido per una trattazione macroscopica (ovvero in cui non ci si interessa delle singole entità ma di un altissimo numero di esse), nel momento di andare a indagare quel che succede davvero a livello microscopico alle singole “palline blu e rosse” le cose cambiano. È infatti noto che per qualsiasi misura di tipo sperimentale si effettui non si possa prescindere da un certo grado di errore, dovuto alla precisione dello strumento e alla perizia o meno dello sperimentatore. Dato che il progresso nella tecnologia ha permesso di ottenere strumenti sempre più precisi, all’aumento della complessità degli esperimenti ha fatto da contraltare la presenza di macchinari sempre migliori e più perfezionati. Questo perlomeno finché si resta nel campo del macroscopico. A livello atomico e subatomico le grandezze in gioco sono talmente piccole che ottenere una misurazione precisa, ad esempio, della posizione e della velocità di una particella è impossibile. Il principio di indeterminazione di Heisenberg dice proprio questo: non è possibile misurare con un grado di precisione arbitrario contemporaneamente la posizione e il momento di una particella: se ne misurate uno, perdete inevitabilmente informazioni sull’altro. Se questa cosa può sembrarvi un limite, vi basti sapere che tuttavia è il punto di partenza di moltissimi procedimenti e teorie in campo fisico: esso stabilisce di fatto una base per quanto riguarda la precisione massima che siamo in grado di raggiungere, e ci dà la possibilità di stabilire un range di valori da cui partire per sviluppare una teoria.

ONDA SU ONDA

Risulta chiaro dal principio di indeterminazione che le grandezze che caratterizzano una particella (la sua posizione e la sua velocità, dalle quali poi si possono ricavare tutta una serie di parametri come energia, momento angolare, etc.) sono inevitabilmente legate. Questo principio è quindi come una specie di nebbia, che ci fa intravvedere il profilo delle sagome all’orizzonte ma con poca chiarezza. Di conseguenza il massimo che noi possiamo dire è che una particella ha una certa probabilità di trovarsi in una data frazione dello spazio, o una certa probabilità di avere quella velocità. Da qua in avanti, bene o male quasi tutte le normali convenzioni fino ad ora assunte vengono a crollare. Le particelle diventano “onde di probabilità”… Strane entità che si estendono dall’infinito, all’infinito: in pratica è come se l’onda fosse presente in tutto lo spazio fisico (e in effetti è proprio così, come provano diversi esperimenti), addensandosi nei punti dove è massima la probabilità della presenza della particella. È piuttosto significativo che la teoria che stabilisce definitivamente la natura dualistica della luce (classicamente trattata come un onda, ma quantizzata appunto nella meccanica quantistica) operi allo stesso modo con la materia in senso inverso. La natura è piena di simmetrie, e alla fin fine questa è un’ulteriore prova del fatto che energia e materia sono due differenti espressioni dello stesso oggetto. La cosa veramente innovativa della meccanica quantistica però non sta tanto nella concezione di nuovi esseri matematici: tutto sommato, fornisce gli stessi risultati della meccanica classica quando si tratta un gran numero di corpi. A cambiare in realtà è la concezione che si ha dell’esperimento: non si tratta più il suo ambiente come una cosa separata da quello in cui opera lo sperimentatore: i due ambienti vengono a coincidere. Di conseguenza ogni intervento dello sperimentatore (misura compresa) finisce per modificare il sistema in esame. Per cui noi, nell’atto della misura, non stiamo in realtà registrando passivamente lo stato di un sistema, ma stiamo interagendo con esso, obbligandolo a fornirci un risultato.

GATTI RADIOATTIVI

Per illustrare meglio questa logica, Erwin Schrodinger si inventò il famoso esperimento mentale del gatto nella scatola. Supponete di avere una scatola, all’interno della quale ponete un gatto, un pezzetto di materiale radioattivo con annesso contatore geiger, e un diffusore di veleno in grado di uccidere il gatto, attivato dal contatore nel caso in cui il materiale radioattivo subisca un decadimento. Per quanto la cosa possa sembrarvi un po’ crudele, vi assicuro che nessun gatto è stato maltrattato o ucciso durante l’ideazione della teoria. Supponiamo che il materiale da noi introdotto nella scatola abbia la stessa probabilità di decadere o di non farlo, in un determinato lasso di tempo. Definiamo i due possibili stati del sistema come (gatto morto) e (gatto vivo). A questo punto chiudiamo la scatola e aspettiamo. Se doveste chiedere a un fisico classico in che stato è il sistema senza aprire la scatola, vi direbbe che non lo può sapere, ma che sicuramente avremmo alternativamente (gatto morto) OPPURE (gatto vivo). Un fisico moderno vi risponderà invece che lo stato del sistema è semplicemente 1/√2 (gatto vivo) + 1/√2 (gatto morto). Le radici rappresentano la radice quadrata della probabilità di ciascuno stato, la cui somma ovviamente non può essere superiore a 1, e vengono detti fattori di normalizzazione. Solo aprendo la scatola (ovvero effettuando la misura) noi possiamo definire uno stato univoco per il sistema, ma finché la scatola rimane chiusa, il gatto è – quantisticamente parlando – sia vivo che morto, contemporaneamente!

MA… FUNZIONA ?

Sebbene quanto detto finora non possa esser considerata una presentazione completamente esaustiva dei concetti base della meccanica quantistica (qualcosa che va ben oltre le mie intenzioni e soprattutto le mie capacità), le implicazioni di queste poche nozioni preliminari sono enormi. Se infatti la materia è composta da particelle-onde, ci si aspetterebbe di osservare i tipici fenomeni caratteristici delle onde elettromagnetiche, come diffrazione e rifrazione. E infatti, la diffrazione dei neutroni è solo una delle moderne tecniche che sfruttano la natura dualistica della materia per indagare la struttura più intima di un solido, ad esempio. L’elettronica che ci circonda, dal telefonino al computer al forno a microonde, incorpora al proprio interno dei transistors a effetto di campo (i famosi FET), il cui funzionamento è basato su un particolare fenomeno spiegabile solo tramite le teorie di Schroddy e Heisy. E se vi dicessi che buttarsi contro un muro non conduce con certezza al rompersi qualche osso, ma avreste una probabilità non nulla di attraversarlo senza colpo ferire? Come un’onda di luce che incide su un’interfaccia (ad esempio quando passa da aria ad acqua) viene in parte trasmessa e in parte riflessa, alla stessa maniera una particella che incida su una barriera di potenziale la cui forza sia maggiore dell’energia del corpuscolo, non è detto che venga sicuramente riflessa, dato che proprio in virtù del suo essere anche onda avrà una probabilità di venire trasmessa. Certo, questa probabilità è tanto più alta quanto l’energia della particella si avvicina a quella della barriera, ma diversi esperimenti e il fatto che voi stiate usando un computer per leggere queste parole dimostrano che il concetto funziona, dato che anche il “tunnelling” gioca un ruolo importantissimo nella tecnologia attuale. Ora però non cercate di attraversare il gran canyon per effetto tunnel, potreste scoprire che le vostre probabilità di essere trasmessi (e di conseguenza, quelle di sopravvivere) sono davvero esigue..

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La fisica nei videogiochi

Immaginate di trovarvi all’interno di un’astronave alla deriva nello spazio. L’aria al suo interno resa oramai irrespirabile dalla putrefazione del materiale biologico sparso in ogni dove, che probabilmente una volta era il suo equipaggio. L’energia che va e viene, pareti in metallo arrugginite, luci intermittenti, terrore. Come quello che può cogliere un uomo che percepisce il pericolo ma non lo vede. Ad ogni lampo di luce bluastra, le vostre mani stringono sempre più forte l’impugnatura della vostra pistola al plasma. Improvvisamente, un urlo squarcia il silenzio mortale che vi aveva avvolto fino a quel momento e uno strano, abominevole, ibrido tra un uomo e qualcos’altro, compare in fondo al corridoio che avevate appena imboccato, aggrappandosi alle pareti di metallo con i suoi artigli. Voi gli scaricate inutilmente addosso l’intero caricatore della vostra pistola e iniziate a fuggire in preda al panico, seguendo un percorso bene o male casuale all’interno dei contorti condotti, finché una forza tremenda vi scaraventa contro il soffitto con una violenza tale da spezzarvi l’osso del collo. L’ultima espressione che rimane sul vostro volto non è di paura, ma di sorpresa. Che diamine, se dovevate morire, sarebbe stato meglio farlo combattendo contro un dannatissimo schifo spaziale, piuttosto che per colpa di una piastra gravitazionale difettosa!

Quel che è successo è che siete stati vittima di una delle ultimissime innovazioni all’interno dei videogiochi: la fisica. Eh sì, perché una volta le cose erano decisamente più semplici…

STREET FIGHTER E L’ARTE DEL VOLO UMANO

Ve lo ricordate “super street fighter 2 turbo”? Tonnellate di personaggi e supermosse, una sorta di storia che ci desse la scusa per rullare kartoni a destra e a manca e alla fin fine tanto sano divertimento. Sì, perché una volta si era meno smaliziati, anche meno pretenziosi. Un salto equivaleva a decollare verso mondi infiniti, per atterrare di ginocchio per terra dopo aver eseguito il calcio. Poco male se prendevamo o meno l’avversario. Noi si era senza peso, leggiadri anche nel prender mazzate, ma tanto robusti da poter generare piccoli bang sonici semplicemente sfregando i pugni tra di loro. Insomma, quando la potenza dei calcolatori era quella che era, c’era da distribuire bene le risorse a disposizione, e di certo il calcolo della fisica di gioco non era tra le priorità. Alla fin fine il potere intrattenitivo di un videogioco sta anche nel fatto che è possibile creare mondi con delle regole tutte loro, in grado di far compiere al nostro personaggio imprese impensabili e incredibili, e di conseguenza attraenti per la fantasia di un giovincello, magari cresciuto a furia di film di arti marziali, libri di fantascienza o puntate di Ken il guerriero. Poi qualcosa è cambiato. Hanno iniziato a comparire le prime schede grafiche, che alleggerivano il carico di lavoro sul processore principale, permettendogli così di dedicarsi ad altro. Iniziarono a comparire giochi che presentavano un mondo sempre più realistico. Da un lato il progresso grafico aumentava l’immersione del giocatore all’interno del contesto del videogioco, dall’altro i continui passi avanti nelle simulazioni del mondo rendevano i videogiochi delle sfide sempre più difficili e appaganti, per un pubblico di giocatori che è andato tendenzialmente invecchiandosi sempre più, tant’è che i blockbuster maggiori sono solitamente quei titoli che fanno del realismo e dell’accuratezza dei dettagli il loro punto di forza, e sono indirizzati ad un pubblico decisamente adulto. Pensate a titoli come Dead Space, in cui ci sono situazioni di gravità anomala che vi costringono a mutare radicalmente il vostro approccio nei confronti dell’ambiente, o altri come Stalker, in cui il calcolo della balistica delle armi (con i proiettili che perdono di quota e velocità man mano che viaggiano) è affiancato da una vera e propria simulazione ambientale, che coinvolge non solo la fisica del mondo, ma anche l’impatto del tempo atmosferico o l’intelligenza artificiale delle creature che abitano le zone nelle vicinanze di Chernobyl. Insomma, una volta la fisica veniva riscritta in maniera tale da permettere al videogiocatore di compiere azioni altrimenti impossibili, e si poteva un po’ pensare che il mondo stesso di gioco fosse definito in funzione del personaggio e dei nemici che l’avrebbero popolato. Oggi l’approccio è l’esatto opposto, in virtù della ricerca del realismo, che tuttavia non deve mai essere troppo esasperato ovviamente… Siamo pur sempre cazzutissimi agenti segreti infaticabili e in grado di portare con noi un carico di armi e munizioni pressoché illimitato, altrimenti come potremmo salvare il mondo da soli?

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Era meglio se le scarpe le facevano tutte con lo strappo…

Ben trovati, cari lettori di Camminando Scalzi. Stavolta voglio parlarvi di un argomento piuttosto complesso, che i più nerd tra voi avranno magari anche intuito leggendo il delirante titolo che accompagna questo scritto. Sto parlando della teoria delle stringhe, che è tanto in auge ultimamente tra moltissimi fisici teorici e che sembra sia in grado di spiegare molte cose (non tutte purtroppo…) che finora erano rimaste orfane di un’interpretazione valida. Prima di risolvere un problema però occorre definire bene le ipotesi di partenza, per cui devo introdurre il mondo in cui questa teoria va ad inserirsi, o io per primo rischio di non riuscire più a slacciare i nodi salienti che voglio esporvi.

FATTI IL FISICO
La fisica viene spesso definita la regina delle scienze. È infatti l’unica disciplina in grado di analizzare tanto l’infinitamente grande quanto l’infinitamente piccolo, con tutto ciò che sta in mezzo, ovviamente). Le quattro differenti forze naturali giocano un ruolo differente a seconda della scala spaziale che noi andiamo ad elaborare. Così la forza formalmente meno intensa delle quattro presenti in natura, l’attrazione gravitazionale, è importante solamente nel mondo macroscopico, ovvero quando si considerano oggetti di massa elevata. Le interazioni elettromagnetiche sono decisamente più intense (parliamo di circa 37 ordini di grandezza), e i loro effetti sono sotto i nostri occhi tutti i giorni, quando ascoltiamo la radio, guardiamo la tv o usiamo il computer, tanto per fare un esempio. In virtù di questa loro maggiore intensità, esse sono importanti sia a livello microscopico, che a livello macroscopico, tant’è che gli elettroni orbitano attorno all’atomo proprio in virtù dell’attrazione elettromagnetica. La forza debole è responsabile del decadimento radioattivo di alcuni atomi, così come di alcune interazioni che avvengono tra particelle a livello subatomico. Infine, la forza nucleare forte è responsabile sia dell’attrazione che c’è tra le componenti dei nuclei atomici (neutroni e protoni), sia di quella presente tra i quark che formano gli stessi neutroni e protoni. La teoria che fino ad adesso la fa da padrona è il Modello Standard. Esso è in grado di descrivere con precisione tutte le particelle elementari ad oggi note e tutte le forze naturali, eccetto la gravitazionale. Si tratta di un risultato eccezionale dal punto di vista teorico, dato che finora ha retto piuttosto bene tutte le prove che si sono susseguite negli anni nella miriade di acceleratori di particelle che sono stati costruiti in giro per il nostro pianeta. Tuttavia è ben lungi dall’essere considerata una teoria completa, non comprendendo la gravità e non essendoci spiegazione riguardo la presenza della materia oscura, di cui il nostro universo sembra essere permeato. Il modello standard stabilisce, tra le altre cose, che le forze EM, debole e forte tra le particelle sono mediate da altre particelle, i cosiddetti bosoni di gauge. Per il campo elettromagnetico, ad esempio, la particella mediatrice è esattamente il fotone. In pratica, ciò che noi percepiamo della realtà è il risultato di una miriade di interazioni microscopiche, che noi per comodità tendiamo a raggruppare a seconda delle scale e delle tipologie di interazione. È importante però capire che la fisica non descrive la natura per quella che realmente è: il suo scopo è quello di studiare i fenomeni naturali, ossia tutti gli eventi a cui noi possiamo associare delle grandezze fisiche, in modo tale da poter stabilire delle leggi matematiche che regolino le interazioni tra le grandezze stesse e rendano conto delle loro reciproche variazioni. Il fisico modellizza a livello matematico la natura, cercando di trovare un qualcosa che sia in grado di descrivere in maniera completa ogni possibile accadimento che può avvenire nell’universo. È quindi importante capire che, sebbene nei libri possiamo ad esempio trovare l’immagine di un atomo formato da tante palline rosse (gli elettroni) in orbita attorno a palline gialle e blu (neutroni e protoni), quella è solamente una rappresentazione, e che nella realtà elettroni, protoni, atomi e particelle non sono palline che si muovono nello spazio, e anche la loro rappresentazione a livello matematico è ben lungi dall’essere di questo tipo. Ricordatevi che le mele cadevano anche prima che Newton scrivesse la legge di gravitazione universale…

PUNTI, STRINGHE, MEMBRANE… D-BRANE?

Tralasciando la teoria delle stringhe bosonica, la teoria delle stringhe a cui solitamente ci si riferisce con questa nomenclatura è la variante supersimmetrica a 11 dimensioni. Si tratta di un modello fisico in cui gli elementi costituenti della realtà non sono più oggetti idealizzabili come punti di dimensione zero, ma possono essere anche stringhe (1 dimensione), membrane (2 dimensioni), o D-brane (D dimensioni). La più grande speranza riposta in questo modello è che possa finalmente riuscire a tener conto di tutte le quattro forze naturali fondamentali assieme, dando origine quindi alla teoria del Tutto, tanto agognata dai fisici teorici di tutto il mondo. In linea teorica essa è in grado di tener conto di tutto, ma non si sa bene ancora se in effetti la descrizione che ne salterà fuori sia quella di un universo con le stesse caratteristiche del nostro. Sebbene la comprensione dei dettagli riguardo al comportamento di queste stringhe richieda capacità matematiche che sfuggono anche al fisico medio (me compreso), è possibile condurre delle analogie con le normali corde che illustrano in maniera abbastanza intuitiva alcune delle caratteristiche di questi oggetti. Le stringhe sono soggette a tensione, tipo corda di chitarra. Se ve la immaginate chiusa su sé stessa, potete immaginare che la tensione la faccia man mano rimpicciolire, fino a raggiungere un limite inferiore (da determinarsi tramite un principio fisico che prende il nome da Heisenberg, il famoso “principio di indeterminazione“). Di conseguenza, più una stringa è piccola, maggiore sarà la sua tensione caratteristica. Ora: una corda che riceva un impulso di forza trasversale rispetto alla direzione della tensione, tende a vibrare ad un serie di frequenze ben precise, proprio come le corde di una chitarra. Le differenti modalità di vibrazione delle differenti stringhe si manifesterebbero come le particelle che vengono trattate dal modello standard. La capacità di unire scale spaziali che precedentemente, in virtù della loro grande differenza, avevano messo in crisi sia la fisica classica che la fisica quantistica risiede in una proprietà detta dualità. In ESTREMA semplificazione, ogni aspetto apparentemente distinto dagli altri della natura, sviluppato sulla base delle teorie delle stringhe, risulta essere un caso particolare di una teoria più grossa, cosicchè è in effetti possibile passare da un aspetto all’altro senza variare il contesto matematico (e i concetti che vi stanno dietro) in cui si agisce, da cui la dualità di cui sopra… Posso sempre mettere in relazione matematica due aspetti apparentemente molto differenti, passando da uno all’altro tramite opportune trasformazioni matematiche.

Una delle caratteristiche più interessanti della teoria è che essa, a partire dai principi primi su cui è basata, arriva a determinare matematicamente il numero di dimensioni di cui è composto l’universo. Nelle teorie precedenti infatti il numero di dimensioni (3+1) veniva imposto dal fisico, in quanto 3+1 sono effettivamente le dimensioni che noi percepiamo. Unico problema: se fate i calcoli, di dimensioni ne escono 11. Tante quanti i giocatori di una squadra di calcio. Se poi al posto della teoria supersimmetrica fate i calcoli per quella bosonica, aggiungete al conto delle dimensioni anche una squadra di rugby (11+15=26). Difatto, per giustificare questa cosa, i fisici teorici vi diranno che le dimensioni extra sono matematicamente ricompattabili (con successo) su di loro. Che detto in parole povere, significa che i loro effetti hanno raggi efficaci talmente minuscoli da non poter essere verificati tramite esperimenti, allo stato attuale della tecnologia. Insomma è un po’ come quando guardate le stelle: a voi sembrano punti senza dimensioni, mentre sappiamo bene che sono palle di plasma incandescende del diametro di diversi milioni di chilometri, e che quindi esistono a tutti gli effetti nelle loro tre dimensioni spaziali.

Al di là della sua effettiva comprensibilità, la teoria delle stringhe presenta ancora molti (è il caso di dirlo) nodi irrisolti. Innanzitutto essa non è verificabile, ora come ora. Ciò non deve sembrare anomalo, dato che solitamente la fisica teorica precede quella sperimentale di circa 30 o 40 anni, tant’è che solo negli ultimi anni siamo stati in grado di costruire acceleratori di particelle che confermassero appieno la bontà del modello standard nell’ambito della fisica della alte energie (e LHC, di cui ho già parlato qui su CS, dovrebbe aggiungere, tra le altre cose, l’importante tassello del bosone di Higgs… E se non lo farà ci sarà da ridere). Le caratteristiche più interessanti della teoria delle stringhe sono di carattere matematico, e riguardano soprattutto i risultati che potrebbe dare, piuttosto che ciò che restituisce attualmente. A prova di ciò, basti pensare che con i pochi elementi certi che abbiamo per ora tra le mani, la teoria delle stringhe può fornire più di 10500 modellizzazioni di universi, ognuno dei quali con le proprie leggi fisiche, tra i quali ci dovrebbe essere il nostro. Ammettere l’esistenza di un numero pressochè infinito di universi non rappresenta un problema (anzi spiega alcuni aspetti della cosmologia moderna), il fatto è che non sappiamo ancora dire quale dei modelli è effettivamente valido, non potendolo verificare. Per osservare in maniera diretta le stringhe, si dovrebbero poter osservare distintamente distanze nell’ordine dei 10-35 metri, dove LHC arriva al massimo a circa 10– 19. Tuttavia, una delle prove della validità della teoria delle stringhe dovrebbe proprio provenire da LHC, in grado di dare evidenza indiretta dell’esistenza di questi oggetti tramite particolari collisioni al suo interno.

Avreste mai pensato che per legarvi le scarpe avreste dovuto utilizzare un acceleratore di particelle?

It's the end of the world as we know it…

Come oramai avrete appreso dai TG sparsi in giro per i canali televisivi, al di sotto della ridente città svizzera di Ginevra corrono 27 chilometri di tunnel circolare, al cui interno è situato LHC. Il Large Hadron Collider è il più potente acceleratore di particelle mai costruito. Come si intuisce dal suo nome, compito di LHC è quello di provocare collisioni tra fasci di protoni (che sono adroni, in quanto risentono dell’interazione con la forza nucleare forte) ad energie mai sperimentate prima, nella speranza di riuscire a rispondere ad alcune tra le più importanti domande a cui la fisica delle particelle non ha ancora saputo rispondere. lhc 2Per poter mantenere stabilmente i protoni nell’orbita curvilinea dell’acceleratore, è necessario deviare e focalizzare continuamente il fascio tramite l’utilizzo di intensissimi campi magnetici. Se 8 Tesla possono sembrarvi pochi, considerate che il campo magnetico terrestre misurato sulla superficie del nostro pianeta è circa 10 ordini di grandezza meno intenso. L’unico modo per ottenere una campo magnetico di questa portata è tramite degli enormi elettromagneti, all’interno dei quali vengono fatti circolare correnti elettriche intensissime. Come chiunque possieda un computer o anche un semplice caricabatterie per cellulari sa, una corrente fatta circolare all’interno di un circuito elettrico provoca un riscaldamento dello stesso, per effetto della resistenza che oppongono le varie componenti del sistema che viene alimentato. Il riscaldamento è proporzionale, oltre che alla resistenza, al quadrato della corrente che percorre il nostro circuito, per cui potete ben immaginare che se le cose stessero così, i supermagneti inizierebbero a fondersi a causa di questo effetto (chiamato “effetto Joule“) pochi istanti dopo esser stati accesi. Fortunatamente alcuni materiali, se raffreddati a temperature criogeniche, diventano superconduttori, ovvero sono in grado di condurre la corrente elettrica senza resistenza. A questo punto, “bastano” 96 tonnellate di elio liquido, a 1,7 gradi sopra lo zero assoluto, fatti circolare nel più grande impianto criogenico del mondo, e si ottengono i 1600 magneti superconduttori che permettono ai due fasci di protoni contrapposti di viaggiare al 99.9999991% della velocità della luce, facendosi qualche milione di rivoluzioni attorno a Ginevra prima di impattare l’uno contro l’altro. Ovviamente, casomai anche uno solo dei magneti dovesse smettere di comportarsi da superconduttore, si avrebbero delle conseguenze catastrofiche. Il problema minore sarebbe la variazione del campo magnetico (il cosiddetto magnetic quenching), che determinerebbe la perdita del fascio contro le pareti dell’acceleratore. Poco male, direte voi, morto un fascio se ne fa un altro. lhc 1Purtroppo niente superconduzione = effetto Joule, per cui al magnete resterebbero ben pochi istanti di vita. Se poi considerate che l’elio liquido è in quello stato grazie alle fortissime pressioni a cui viene mantenuto, e che un gas riscaldato tende ad espandersi alla stregua della miscela aria benzina che esplode all’interno del pistone di un motore, capite che i danni provocati da un simile malfunzionamento sono particolarmente gravi. Il 19 settembre 2008, durante una prova ad alta energia, da una delle saldature presenti nel supermagnete risultata poi difettosa, scaturì un arco elettrico, che rompendo il contenimendo dell’elio liquido, diede inizio alla cascata di effetti che ho descritto sopra. Le operazioni di riparazione sono durate più di un anno, aggravando ulteriormente un bilancio che già ammontava a ben 9 miliardi di dollari, rendendo LHC il più costoso esperimento scientifico mai organizzato nella storia dell’uomo. Tuttavia un anno è passato, ed è finalmente giunto il momento di vedere cosa è in grado di fare la macchina più complessa, avanzata e perfezionata che l’uomo abbia mai creato.

La prima notizia è questa: il 30 Novembre 2009 c’è stata la prima “vera” collisione dentro LHC. Durante le prime ore della mattina due fasci di protoni da 1,18 TeV (l’elettronvolt è l’unità di misura dell’energia su scala microscopica equivale a 1,6×10^-19 joule. Quindi 1,18 TeV sono circa 0,00000018 Joule) si sono scontrati, generando una collisione da 2,38TeV nel centro di massa. Se considerate che hanno iniziato a far partire LHC 10 giorni prima, dopo il guasto che l’aveva tenuto fermo per più di un anno, e che proprio nella prima run abbia stabilito il nuovo record mondiale di energia in un acceleratore, c’è da fare i complimenti a chi ha costruito questo ciambellone da 27 Km. La seconda notizia importante che mi sento in dovere di darvi è questa: il mondo non è finito. lhc 3Per carità, probabile che ve ne siate accorti nel frattempo, ma per chi temeva potessero insorgere fratture nello spazio tempo e piccole apocalissi dentro al tunnel che corre sotto Ginevra, sono portatore di buone notizie. Dunque nessun mini buco nero, nessuno “strangelet” in grado di convertire la materia ordinaria in materia strana (che si ipotizza esistere al centro delle stelle a neutroni), nessun errore di segmentation fault nel codice di Matrix. Sebbene la maggior parte delle persone possa giudicare questa effettivamente una buona notizia, il fatto che nessun telegiornale nazionale si sia preoccupato di riportarla (diversamente da quando qualche sedicente pseudoscenziato paventava la possibilità che finissimo tutti risucchiati in una singolarità o amenità del genere) mi fa pensare che i giornalisti in Italia stiano dalla parte degli aztechi… Peccato Quetzalcoatl, ci incontreremo con il prossimo acceleratore! Il programma al CERN ora è abbastanza semplice: si tratterà di innalzare sempre di più l’energia dei due fasci a ogni collisione, fino a raggiungere i 7 TeV per protone, ottenendo così collisioni da 14 TeV. Queste energie sono necessarie ad indagare sempre più in dettaglio la materia e ciò che la compone. In particolare, sebbene non sia l’unico esperimento in corso e gli interrogativi a cui si spera di dare una risposta siano tanti, grande attenzione verrà riservata nella ricerca del famoso Bosone di Higgs. Questa particella, che qualcuno forse con poca lungimiranza ha subito soprannominato “particella di Dio”, è secondo il Modello Standard (la teoria in grado di descrivere le interazioni debole, forte ed elettromagnetica coerentemente con la meccanica quantistica e con la relatività speciale) la responsabile delle diverse masse delle particelle elementari. E’ quindi importante capire come i costituenti della materia ordinaria interagiscano con il campo generato dal nostro bosone, che se risultasse assente ingiustificato farebbe crollare un bel pezzo della teoria su cui si basa praticamente tutta la fisica delle particelle.