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Teoria dei quanti, buchi neri e onde gravitazionali

Tre articoli sulla scoperta scientifica LEGGI DI SEGUITO

La teoria geniale bocciata da Einstein di Stefano Gattei (Cirriere 24.8.17)

«È piuttosto facile fare una teoria scientifica a parole», rispondeva Richard Feynman al termine di una delle sue celebri lezioni di fisica, nel 1961. Si potrebbe dire lo stesso per la divulgazione di una teoria scientifica, in particolare della meccanica dei quanti, che insieme alla relatività costituisce una delle più profonde e complesse conquiste teoriche del Novecento. Nata ufficialmente il 14 dicembre 1900, quando Max Planck utilizzò per la prima volta la parola «quanto» per spiegare lo spettro della radiazione di corpo nero, nei decenni successivi la meccanica quantistica è riuscita a descrivere con successo il comportamento della materia e della radiazione elettromagnetica, a scale di lunghezza inferiori o dell’ordine di quelle dell’atomo, o a energie nella scala delle interazioni interatomiche. Nonostante i dubbi di molti — a partire da Einstein, che nel 1905, con la descrizione dell’effetto fotoelettrico, aveva dato un contributo fondamentale alla nascita della teoria, ma si oppose strenuamente all’«interpretazione di Copenaghen» — la nuova fisica si è dimostrata nel tempo uno strumento potente e insostituibile, motore di un progresso tecnologico senza precedenti.
Sorprendente, paradossale, spesso controintuitiva, la teoria dei quanti — anche per la sua innegabile difficoltà — costituisce da sempre un ostacolo pressoché insormontabile per i non addetti ai lavori che vogliono averne una conoscenza non superficiale. Molti sono stati i tentativi di renderla accessibile, ma i manuali «introduttivi» peccano a volte di eccessivo tecnicismo, oppure scivolano all’estremo opposto, coprendo di troppe parole una teoria che non può prescindere da una comprensione rigorosa dei suoi concetti di base.
In Guarda caso. I meccanismi segreti del mondo quantistico (Hoepli), Giorgio Chinnici presenta con chiarezza la meccanica dei quanti, spiegandone le applicazioni e introducendo il lettore alle sue interpretazioni filosofiche. Come già nel suo precedente volume sulla figura e l’opera di Alan Turing (2016), Chinnici riesce al meglio nel compito di coniugare semplicità e precisione, in un libro che si presenta gradevole tanto per il lettore interessato, ma non professionista, quanto per chi della teoria vuole avvicinare interpretazioni e risvolti filosofici. Perché la scienza, per riprendere ancora una volta le parole di Feynman, «non è affare dei singoli specialisti, ma ha valenza universale».

L’occhio delle onde gravitazionali vede per la prima volta i buchi neri di Elena Dusi (Repubblica 24.8.17 “Lo studio ha analizzato quattro osservazioni, che in due anni non sono affatto poche, per dedurre alcuni dati su questi corpi celesti. È una rivoluzione per l’astronomia”

“”Trovandosi per la prima volta di fronte a un buco nero, sono tante le domande che uno scienziato vorrebbe fargli. Curiosamente, il primo aspetto svelato da quel “nuovo occhio” dell’astronomia che sono le onde gravitazionali – l’unico metodo, finora, capace di rivelare in modo diretto l’esistenza di questi misteriosi abitanti del cosmo – riguarda la vita sentimentale dei buchi neri.
«Esiste una categoria di buchi neri che vive in coppia. Ruotando l’uno attorno all’altro, i due oggetti a volte finiscono per scontrarsi » spiega Alberto Vecchio, laurea in fisica a Pavia, oggi all’università di Birmingham. In questo caso avviene un cataclisma capace di scuotere i pilastri dell’universo. E di generare onde gravitazionali.
Teorizzate da Einstein un secolo fa, le onde gravitazionali sono state osservate per la prima volta solo nel 2015, grazie a uno strumento che si chiama antenna gravitazionale, si trova negli Stati Uniti e ha il nome di battesimo di Ligo. Smaltito l’entusiasmo per la scoperta, da un anno e mezzo gli scienziati sono al lavoro per estrarre più informazioni possibili da segnali che arrivano da miliardi di anni luce di distanza e durano una frazione di secondo. «Due sono le ipotesi» spiega Vecchio. «I due buchi neri possono essere nati insieme, un po’ come una coppia che si è conosciuta al liceo ed è rimasta insieme tutta la vita. Oppure potrebbero essersi formati indipendentemente l’uno dall’altro in una zona dell’universo molto densa di stelle. L’ambiente dinamico gli avrebbe permesso di avvicinarsi. A un certo punto della loro vita si sarebbero incontrati per poi morire insieme. Al momento, se i buchi neri ruotano rapidamente, propendiamo per la seconda ipotesi, ma siamo nelle fasi iniziali dell’indagine. L’uso delle onde gravitazionali per capire i fenomeni del cosmo è ai primordi».
Lo studio sui buchi neri, scritto da un gruppo di fisici di Birmingham e uscito su Nature, si basa sull’osservazione di quattro segnali di onde gravitazionali (uno dei quali molto debole) registrati tra settembre 2015 e gennaio 2017. Per avere una risposta più definita sull’origine di questi oggetti (che rappresentano la fase finale della vita di alcune stelle) e sul perché in alcuni casi decidano di vivere in coppia, i ricercatori avrebbero bisogno di almeno una decina di segnali.
Ma anche così, il passo avanti è enorme. «Fino a ieri avevamo solo prove indirette dell’esistenza dei buchi neri» spiega Vecchio. «Ne osserviamo ad esempio gli effetti sul moto delle stelle sfruttando le stesse leggi di Newton che gli astronomi dei secoli scorsi usarono per scoprire i pianeti del sistema solare. Oppure captiamo i raggi X emessi dalla materia che sta per essere inghiottita ». Applicando la relatività di Einstein ci si era anche divertiti a immaginare cosa sarebbe successo a un uomo tanto imprudente da avvicinarsi a un buco nero, finendo stirato per i piedi da questa sorta di aspirapolvere cosmico. «Ma oggi, per la prima volta, abbiamo osservato in maniera diretta il segnale emesso dal buco nero» sintetizza Vecchio. «E crediamo di essere solo al primo passo di un lungo percorso di esplorazione».
Le quattro osservazioni di Ligo, infatti, riguardano una classe particolare di buchi neri: quelli grandi decine di volte come Sole e disposti in sistemi binari. «Abbiamo calcolato che le loro collisioni, in ogni angolo nell’universo, si susseguono al ritmo di una ogni quarto d’ora». Ma esistono anche altri tipi di buchi neri (al centro della nostra galassia ce n’è uno grande come 2,5 milioni di Soli) e di fenomeni che possono emettere onde gravitazionali, come le stelle di neutroni o le esplosioni di supernove. Ligo, che per la sua complessità funziona a singhiozzo ed è costretta a continue ricalibrazioni, nel suo periodo operativo ha individuato in media un’onda gravitazionale al mese. Attualmente è in funzione anche la gemella italiana, l’antenna gravitazionale dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Virgo, che si trova a Càscina (Pisa). «Ora lavoriamo in contemporanea con Ligo» spiega il coordinatore di Virgo, Fulvio Ricci. «Facendo osservazioni insieme possiamo individuare anche la direzione di provenienza dell’onda in cielo». No comment è la replica di Ricci alla notizia diffusa su Twitter da uno scienziato dell’università del Texas e ripresa da New Scientist. Per la prima volta sarebbe stata catturata un’onda di tipo nuovo, emessa da stelle di neutroni. «Aggiorniamoci al 25 agosto per un comunicato » si limitano a dire da Ligo.””

Abbiamo aperto la nuova finestra sull’universo di Amedeo Balbi, astrofisico all’università di Tor Vergata a Roma (Repubblica 24.8.17)

“”Quando all’inizio del 2016 la collaborazione Ligo ha annunciato di aver rivelato per la prima volta l’esistenza delle onde gravitazionali, uno dei commenti più diffusi è stato che questa scoperta apriva una nuova finestra sull’universo.
Per rendersi conto che le cose stanno proprio così basta guardare l’ultimo numero di Nature. L’articolo di copertina, infatti, è un esempio di quello che si può fare – e si farà sempre meglio in futuro – osservando le onde gravitazionali.
Per mettere le cose nel contesto, diciamo intanto che, prima della scoperta di Ligo, nessuno aveva mai osservato la collisione tra due buchi neri: averli colti sul fatto, captando lo scossone nello spazio-tempo prodotto dallo scontro, è già un risultato sensazionale.
Adesso, dopo appena un paio di anni, abbiamo già osservato non uno, ma probabilmente quattro collisioni di questo tipo. Lo studio pubblicato su Nature ci mostra cosa possiamo capire da questi eventi ripetuti. Immaginiamo due buchi neri come due trottole che, oltre a ruotare l’uno attorno all’altra, ruotano anche sul proprio asse e che, a un certo punto, cozzano tra loro. Analizzando le onde gravitazionali prodotte nello scontro, è possibile capire se l’asse attorno a cui ruotava ciascun buco nero era allineato nella stessa direzione oppure no. Questo, a sua volta, può dirci qualcosa sulla provenienza dei due buchi neri. Se, come crediamo, buchi neri di questo tipo si formano alla morte di stelle molto massicce, le possibilità sono due: o le stelle ruotavano appaiate anche prima di diventare buchi neri, oppure si sono incontrate e accoppiate in seguito. Nel primo caso, i loro assi di rotazione saranno allineati, mentre nel secondo avranno più probabilmente direzioni casuali. Secondo lo studio di Nature, le quattro collisioni osservate finora sembrano far propendere per il secondo scenario.
Certo, quattro eventi non sono molti per trarre conclusioni solide, ma gli autori aggiungono che basteranno dieci eventi simili per avere le idee più chiare. Vista la frequenza con cui Ligo sta osservando nuovi segnali (e visto che presto gli farà compagnia l’antenna Virgo, inaugurata all’inizio dell’anno vicino Pisa), non ci vorrà molto per raggiungere il traguardo.””

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