L’universo è un ologramma

Cosa succede se c’è una realtà è più profonda là fuori? E se il nostro universo fosse un’illusione? E se vivessimo in un ologramma?
Oppure, in alternativa, possiamo chiedere al professore associato di fisica Matthew Headrick della sua ricerca. Headrick lavora su una delle teorie più all’avanguardia della fisica teorica, il principio olografico. Essa sostiene che l’universo è un’immagine tridimensionale proiettata su una superficie bidimensionale, proprio come un ologramma emerge da un foglio di pellicola fotografica.
Secondo me, la scoperta dell’entanglement olografico e delle sue generalizzazioni è stata finora uno degli sviluppi più eccitanti della fisica teorica di questo secolo“, ha detto Headrick. “Quali altri nuovi concetti sono in attesa di essere scoperti e quali altre connessioni inattese? Non vediamo l’ora di scoprirlo.

Dal 2016, Headrick è stato vicedirettore del progetto “It from Qubit: Quantum Fields, Gravity and Information”, uno sforzo internazionale di 18 scienziati e dei loro laboratori per determinare se il principio olografico è corretto. È finanziato con una sovvenzione di 10 milioni di dollari della Fondazione Simons di New York.

Se Headrick e i suoi colleghi potessero dimostrare il principio olografico, avrebbero compiuto un passo importante verso il raggiungimento del Santo Graal nella fisica teorica, una grande teoria unificata che può spiegare tutte le leggi e i principi che governano la realtà. “Non ci siamo ancora arrivati“, ha detto Headrick, “ma stiamo facendo progressi“.

Analizziamo passo per passo il principio olografico:

Informazione
Cominciamo dal piccolo, molto piccolo. Si è a lungo pensato che l’universo al suo livello più fondamentale fosse costituito da particelle subatomiche come elettroni o quark. Ma ora i fisici credono che quelle particelle siano costituite da qualcosa di ancora più piccolo.

Quando i fisici parlano di informazioni, intendono i dati che descrivono i fenomeni fisici. La massa di un oggetto, la direzione della rotazione di un elettrone e la formula e=mc2 sono tutte unità di informazione.

Se raccogliessimo tutte le informazioni che ci sono là fuori, avremmo il ​​libretto di istruzioni completo per costruire tutto nel nostro universo.

Qubit
I più piccoli livelli dell’universo sono governati dalle leggi della meccanica quantistica. Qui le cose cominciano a diventare molto strane e controintuitive.
Le unità di informazione nel regno della meccanica quantistica sono chiamate qubit.

Headrick studia l’entanglement quantistico dei qubit, un fenomeno molto strano, unico nel regno della meccanica quantistica.
Supponiamo di avere due qubit i cui valori possono essere 1 o 0. Quando i qubit sono intrappolati, i loro valori diventano correlati. Quando misuri il primo qubit, il suo valore potrebbe essere 0. Controlla l’altro qubit e il suo valore sarà 0. Ma cosa succede se il primo qubit ha un valore di 1? Il valore del secondo qubit potrebbe anche cambiare a 1.

È come se i qubit comunicassero tra loro, con il primo che dice al secondo: “Ehi, questo fisico qui ha appena scoperto che sono un 1. Faresti meglio ad essere un 1 anche tu“. Sorprendentemente e stranamente, questa comunicazione può accadere a grandi distanze con messaggi apparentemente trasmessi più velocemente della velocità della luce.

I qubit sono piatti
Nella maggior parte dei casi, quando lasci cadere un oggetto in un barattolo, useremo un jelly bean, cadrà dentro e occuperà spazio. Inserite un altro jelly bean e la quantità di spazio vuoto si restringe e aumenta il volume delle jelly bean.

Non funziona in questo modo con i qubit. Il qubit non cadrà nel barattolo ma si diffonderà invece su una superficie. Aggiungi un altro qubit, aderirà al lato del barattolo. Aggiungi un altro qubit, farà lo stesso. Aumentando il numero di qubit non aumenta il volume. Invece, aumenta la superficie occupata dai qubit.
Sempre più qubit si diffondono su una superficie piana: ecco come si ottiene il piano bidimensionale descritto dal principio olografico.

Quindi come si raggioungono le tre dimensioni?

Una volta che vai oltre il regno del piccolo, le leggi della meccanica quantistica non funzionano più. Per quanto strano possa sembrare, a livello macrocosmico, è necessario un diverso insieme di leggi della fisica per spiegare cosa sta succedendo.

Entra in campo la teoria della relatività di Einstein. Per calcolare gli eventi cosmici come il percorso seguito dalla luce o l’orbita di Mercurio attorno al sole, hai bisogno della teoria della relatività.
Anche gli elementi costitutivi della relatività sono unità di informazione. Ora però, sono chiamati bit.
E i bit si comportano in un modo che ci è molto più familiare. Esistono in tre dimensioni.

Quindi come si ottiene un ologramma?
Torniamo a quella superficie bidimensionale coperta da qubit entangled. Poiché il valore di un qubit cambia a seconda del valore della sua coppia entangled, c’è un grado di indeterminazione incorporato nel sistema. Se non hai ancora misurato il primo qubit, non puoi essere sicuro del secondo. La quantità di incertezza in ogni dato sistema è chiamata entropia.

Man mano che i qubit si impigliano e si districano, il livello di entropia aumenta e diminuisce.

Si finisce con i campi di entropia in uno stato in costante cambiamento. Il principio olografico sostiene che il nostro mondo tridimensionale è una rappresentazione o proiezione di tutta questa attività che si svolge su una superficie bidimensionale piena di qubit.

Mettiamo tutto insieme.
Ha sempre disturbato i fisici che esista un insieme di regole per il microcosmo, la meccanica quantistica, e un altro per il macrocosmico, la teoria della relatività.

Non ha senso che ci debbano essere due gruppi diversi e incompatibili di formule matematiche al lavoro nel nostro universo. I fisici presumono che ci debba essere un modo per portarli in armonia.

Qui sta la questione centrale per Headrick e i suoi colleghi: partendo dal regno bidimensionale dei qubit e della meccanica quantistica e poi aumentando di dimensioni, quando precisamente finiamo ad avere bit e relatività?

È necessario costruire un singolo modello matematico che spieghi la trasformazione. Disegnalo e avrai risolto uno dei più grandi misteri della fisica teorica. Dal più piccolo al più grande fenomeno, avremo una teoria unificata della realtà.

Adesso il principio olografico rimane una teoria non dimostrata. Dove condurrà il prossimo è una domanda aperta. Le probabilità sono però che sarà più strano di qualsiasi altra cosa mai immaginata dalla fantascienza.

Quanto sono pericolose le sabbie mobili?

Le sabbie mobili sono costituite da sabbia molto fine satura di acqua che forma una sorta di gel colloidale che non è in grado di sostenere un peso eccessivo, per questo motivo se si cammina su una superficie di questo genere si comincia a sprofondare.

Possono essere anche costituite da argilla e acqua che a sua volta può essere dolce o salata.
Se non disturbate le sabbie mobili sembrano una superficie solida, se invece vengono sollecitate, ad esempio camminandoci sopra, o anche semplicemente per via del nostro peso, si liquefanno e si comportano come un fluido, così si comincia a sprofondare. Basta smettere di agitarsi, però, e la massa ritorna a comportarsi come un solido. 
Anche se nei film i protagonisti che capitano in queste zone infide finiscono per esserne completamente risucchiati, in genere non si sprofonda per più della metà del corpo. Inoltre, le sabbie mobili, in genere non sono tanto profonde. 
Tutto questo però non toglie che le sabbie mobili siano pericolose. Anche se difficilmente si sprofonda completamente in esse, si rimane invischiati in una sostanza molto più densa dell’acqua, dalla quale è molto difficile, ma non impossibile, uscire senza un aiuto.
La morte può avvenire, specie quando si tratta di animali che non vengono soccorsi, per fame o sete e nel caso si finisca in sabbie mobili marine, per il ritorno dell’alta marea.

Quella volta in cui Marie Curie stava cercando di far funzionare la corrente

Maria Skłodowska, meglio nota come Marie Curie è nata a Varsavia, il 7 novembre 1867 e morta a Passy il 4 luglio 1934, è stata una chimica e fisica polacca naturalizzata francese.
Nel 1903 fu insignita del premio Nobel per la fisica (assieme al marito Pierre Curie e ad Antoine Henri Becquerel) per i loro studi sulle radiazioni e, nel 1911, del premio Nobel per la chimica per la scoperta del radio e del polonio. Marie Curie è l’unica donna tra i 4 scienziati che hanno vinto 2 premi Nobel.
Marie Curie crebbe nella Polonia russa dove le donne non erano ammesse agli studi superiori. Si trasferì quindi a Parigi e nel 1891 iniziò a frequentare la Sorbona, dove si laureò in fisica e matematica. Nel dicembre del 1897 iniziò a compiere studi sulle sostanze radioattive, che da allora rimasero al centro dei suoi interessi.
Dopo la morte accidentale del marito Pierre Curie, avvenuta nel 1906, le fu concesso di insegnare nella prestigiosa università della Sorbona. Due anni più tardi le venne assegnata la cattedra di fisica generale, e divenne la prima donna ad aver insegnato alla Sorbona.
Negli ultimi anni della sua vita fu colpita da una grave forma di anemia aplastica, malattia quasi certamente contratta a causa delle lunghe esposizioni alle radiazioni di cui, all’epoca, si ignorava la pericolosità. Morì nel sanatorio di Sancellemoz di Passy in Alta Savoia, nel 1934.
Ancora oggi, tutti i suoi appunti di laboratorio successivi al 1890, persino i suoi ricettari di cucina, sono considerati pericolosi a causa del loro contatto con sostanze radioattive. Sono conservati in apposite scatole piombate e chiunque voglia consultarli deve indossare abiti protettivi.
La figlia maggiore, Irène Joliot-Curie, vinse anch’ella un premio Nobel per la chimica (insieme al marito Frédéric Joliot-Curie) nel 1935, l’anno successivo la morte della madre. La secondogenita, Ève Denise Curie, scrittrice, fu tra l’altro consigliere speciale del Segretariato delle Nazioni Unite e ambasciatrice dell’UNICEF in Grecia.
La nipote Hélène Langevin-Joliot è professoressa di fisica nucleare all’Università di Parigi. Un altro nipote, Pierre Joliot è un noto biochimico che si occupa dello studio della fotosintesi.
Il museo
Il Musée Curie è un piccolo museo gratuito inserito nel campus dell’istituto di ricerca Institut Curie a Parigi. Non è in cima alla lista per i turisti che visitano Parigi, ma è un modo interessante per trascorrere un’ora o giù di lì se ci si trova nel Quartiere Latino.
Marie Curie è stata la prima scienziata a vincere due premi Nobel ed è difficile non immaginarla come un genio altero, sempre curva sui suoi taccuini o sui suoi strumenti di ricerca con la mente che viaggia più veloce di qualunque altra.
Sia Marie Curie che gli oggetti che le appartenevano sono intoccabili. I suoi resti sono così radioattivi che è stata sepolta in una bara foderata di piombo. Alcune delle sue carte nel museo sono repliche perchè quelle originali, come tanti suoi oggetti, sono ancora troppo radioattivi per essere esposti per i visitatori del museo.
I ricercatori possono estrarre gli originali dagli appositi contenitori di stoccaggio della Bibliothèque Nationale de France solo indossando indumenti protettivi e solo se firmano un documento che indichi che sono a conoscenza dei rischi.
Il Musée Curie è ospitato nel laboratorio dove la scienziata ha lavorato dal 1914 al 1934. Ha esposti dei reperti riguardanti la mania per il radio che esplose negli anni Venti e Trenta del ‘900, la famiglia Curie e il loro lavoro, e successivamente il lavoro svolto all’Istituto Radium fondato dalla Curie stessa nel 1909, ora l’Istituto Curie.
Il visitatore può sbirciare nel vecchio ufficio della Curie e immaginare Madame Curie stessa che ci lavora. All’esterno dell’edificio una fotografia a grandezza naturale della scienziata pende da una ringhiera, come se lei guardasse nel suo giardino e contemplasse i segreti della radioattività. L’immagine sembra essere stata scattata proprio nello stesso punto in cui è ora esposta, un breve sguardo dal passato in piedi nel presente. È facile immaginare che la Curie abbia trascorso molto tempo appoggiandosi a quella ringhiera, persa nei suoi pensieri.
Ma una lettera esposta nel museo la umanizza ancor di più. Inizia così: “Dobbiamo risolvere una piccola difficoltà relativa alla fornitura della corrente alternata (per la luce e l’energia) per gli esperimenti…“. Marie Curie era proprio come noi! Aveva problemi di amministrazione e logistica da affrontare prima di poter svolgere il suo lavoro!


Articolo originale
Wikipedia

‘Un universo multidimensionale’ nelle reti neurali

Utilizzando la matematica in modo innovativo in neuroscienza, i ricercatori hanno dimostrato che il cervello opera in molte dimensioni, non solo le 3 cui siamo abituati.
L’immagine contenuta nell’articolo orginale tenta di illustrare qualcosa che non può essere immaginato: un universo di strutture e spazi multidimensionali. Sulla sinistra c’è una copia digitale di una parte della neocorteccia, la parte più evoluta del cervello. A destra sono rappresentate forme di diverse dimensioni e geometrie nel tentativo di rappresentare strutture che vanno da 1 dimensione a 7 dimensioni e oltre. Il “buco nero” al centro serve per simboleggiare un complesso di spazi multi-dimensionali o cavità. I ricercatori del Blue Brain Project, nel loro nuovo studio pubblicato in Frontiers in Computational Neuroscience, riferiscono che gruppi di neuroni vincolati in tali cavità forniscono il collegamento mancante tra struttura neurale e funzione.
Per la maggior parte delle persone è uno sforzo notevole di immaginazione cercare di comprendere il mondo in quattro dimensioni, ma un nuovo studio ha scoperto strutture nel cervello che hanno fino a undici dimensioni – un lavoro che sta cominciando a rivelare i più intimi segreti architettonici del cervello.
Utilizzando la topologia algebrica in un modo che non è mai stato usato prima nella neuroscienza, una squadra del Blue Brain Project ha scoperto un universo di strutture e spazi geometrici multidimensionali all’interno delle reti neurali.
La ricerca, pubblicata in Frontiers in Computational Neuroscience, mostra che queste strutture si presentano quando un certo numero di neuroni forma un gruppo: ogni neurone si connette ad ogni altro neurone nel gruppo in modo molto specifico che genera un oggetto geometrico ben preciso. Più neuroni ci sono in un gruppo, maggiore sono le dimensioni dell’oggetto geometrico.
Abbiamo scoperto un mondo che non avevamo mai immaginato“, dice il neuroscienziato Henry Markram, direttore del Blue Brain Project e professore all’EPFL di Losanna, in Svizzera, “ci sono decine di milioni di questi oggetti anche in un piccolo pezzo di cervello, che possiedono più di sette dimensioni. In alcune reti abbiamo trovato strutture che hanno fino a undici dimensioni“.
Markram suggerisce che questo può spiegare perché è stato così difficile finora capire il cervello. “La matematica di solito applicata allo studio delle reti neurali non riesce a individuare le strutture e gli spazi pluri-dimensionali che ora vediamo chiaramente“.
Se i mondi a 4 dimensioni mettono a dura prova la nostra immaginazione, i mondi con 5, 6 o più dimensioni sono troppo complessi per la maggior parte di noi da comprendere. Qui arriva la topologia algebrica: un ramo della matematica che può descrivere sistemi con un qualsiasi numero di dimensioni. I matematici che hanno portato la topologia algebrica nello studio delle reti cerebrali del progetto Blue Brain sono Kathryn Hess dell’EPFL e Ran Levi dell’Aberdeen University.
La topologia algebrica è come un telescopio e un microscopio allo stesso tempo: può ingrandire le reti per trovare strutture nascoste, vedere gli alberi nella foresta, e vedere gli spazi vuoti, le radure, tutte allo stesso tempo” Spiega Hess.
Nel 2015 il Blue Brain pubblica la prima copia digitale di un pezzo di neocorteccia, la parte più evoluta del cervello e la sede delle nostre sensazioni, azioni e coscienza. In quest’ultima ricerca, utilizzando la topologia algebrica, sono stati eseguiti molti test sul tessuto cerebrale virtuale che dimostrano che le strutture cerebrali multidimensionali scoperte non possono  essersi prodotte per caso.
Gli esperimenti sono stati poi eseguiti su un vero e proprio tessuto cerebrale nel laboratorio del Blue Brain a Losanna, e hanno confermato che le prime scoperte fatte sul tessuto virtuale sono biologicamente rilevanti e suggeriscono che il cervello si ricrea costantemente durante lo sviluppo per costruire una rete con tante strutture con il maggior numero di dimensioni possibile.
Quando i ricercatori hanno stimolato il tessuto cerebrale virtuale, gruppi di dimensioni progressivamente più alte si sono creati momentaneamente per racchiudere i fori multi-dimensionali, ai quali i ricercatori si riferiscono come a cavità.
L’apparizione di cavità multi-dimensionali quando il cervello sta elaborando informazioni significa che i neuroni della rete reagiscono agli stimoli in modo estremamente organizzato“, dice Levi.
È come se il cervello reagisse ad uno stimolo costruendo e poi distuggendo una torre di blocchi multidimensionali, partendo da aste (1 dimensione), creando poi piani (2 dimensioni), cubi (3 dimensioni) e poi geometrie più complesse con 4, 5, e più dimensioni. La progressione dell’attività attraverso il cervello assomiglia ad un castello multidimensionale che si materializza dalla sabbia e si disintegra“.
La grande domanda che i ricercatori si stanno ponendo ora è se la complessità dei compiti che possiamo svolgere dipende dalla complessità dei “castelli di sabbia” multidimensionali che il nostro cervello può costruire. La neuroscienza sta’ anche cercando di trovare il posto dove il cervello memorizza i suoi ricordi. “Potrebbero essere” nascosti “in cavità multi-dimensionali,” ipotizza Markram. 

E se il cielo cadesse?

Il cielo sta cadendo! Il cielo sta cadendo! No, davvero: immaginate se l’atmosfera terrestre crollasse. Che cosa accadrebbe se tutte quelle molecole che ballonzolano intorno e sopra le nostre teste improvvisamente cadessero in picchiata?

Paradossalmente, questa non è una questione leggera. Tutto l’ossigeno, l’azoto e le altre cose presenti nell’atmosfera terrestre hanno una massa enorme combinata di 5 quadrilioni di tonnellate, quindi un cielo che cade significherebbe che quasi 10 tonnellate di molecole – circa poco meno del peso di uno scuolabus – cadrebbe su ogni metro quadrato della superficie terrestre. Diventaremmo tutti pancakes?

Per mantenere le cose interessanti, cerchiamo di immaginare uno scenario meno “schiacciante”: Che cosa succederebbe se l’atmosfera improvvisamente scomparisse, se una fluttuazione estremamente rara facesse in modo che tutte le particelle atmosferiche saltassero inaspettatamente verso l’altro lato della galassia, lasciando la Terra a galleggiare nel vuoto?

Cieli cancellati
Vaclav Smil, illustre professore alla facoltà di scienze ambientali presso l’Università di Manitoba in Canada, ha detto che tre cose ci ucciderebbero: la deprivazione di ossigeno, un grave calo della temperatura, e l’esposizione alla dose piena di radiazioni UV del sole, la maggior parte delle quali vengono attualmente bloccate dall’atmosfera. “Ma la mancanza di ossigeno verrebbe per prima e ad essa non si può sopravvivere“, ha detto Smil a Life’s Little Mysteries.

Nonostante tutti gli uccelli e gli insetti volanti siano crollati a terra come pietre, mancando un’atmosfera contro la quale battere le ali, e nonostante il mondo sia diventato stranamente muto, mancando l’aria che trasporta normalmente il suono, moriremmo comunque tutti prima per deprivazione di ossigeno, in meno di tre minuti, ha detto Smil.

Se ci fosse capitato di essere tra i pochi esseri umani ricoverati collegato a un respiratore, quando il cielo è sparito, saremmo ancora vivi ma per poco. “Essere collegato a un respiratore, o di altra fonte di ossigeno (come una bombola subacquea) non aiuterebbe comunque: senza la pressione atmosferica non riusciremmo a respirare“, ha detto Geoffrey Landis, scienziato del John Glenn Research Center della NASA e scrittore di fantascienza. Questo perché i polmoni inspirano ed espirano l’aria aumentando e abbassando la pressione dell’aria al loro interno rispetto alla pressione dell’aria esterna. Se non c’è differenziale, non saremmo in grado di prendere il nostro ultimo respiro.

A seguito della nostra morte, la Terra lentamente si raffredderebbe. L’atmosfera terrestre normalmente mantiene intrappolata la radiazione solare sulla superficie, impedendo al calore che colpisce il pianeta di essere immediatamente re-irradiato nello spazio. Secondo Smil, senza questo effetto serra, la temperatura media della Terra scenderebbe a -18 gradi Celsius, o semplicemente un po’ sotto gli zero gradi Fahrenheit, e la temperatura oscillerebbe selvaggiamente tra giorno e notte.

Per quanto riguarda gli oceani, i loro strati superiori congelerebbero. Ma prima, bollirebbero.

Essi bollirebbero perché la temperatura di ebollizione dell’acqua scende quando la pressione atmosferica diminuisce,” ha scritto Landis. “Quindi molto rapidamente la Terra creerebbe una nuova atmosfera, costituita da vapore acqueo. Ma temo avrebbe una pressione atmosferica insufficiente per le persone per vivere senza tute a pressione. Quando la pressione raggiunge circa il 2 per cento o giù di lì della pressione atmosferica attuale, l’ebollizione si fermerebbe.

La vita in una bolla
Sopravvivrebbe qualcosa su di una Terra senza atmosfera? Niente abbastanza grande da potersi vedere, ha detto Lynn Rothschild, biologo evoluzionista e astrobiologo del NASA Ames Research Center. Gli organismi complessi sono aerobici, nel senso che hanno bisogno di ossigeno, ma gli organismi anaerobici, come alcuni batteri, potrebbero sopravvivere – ma solo le specie che vivono nel sottosuolo. “Il problema è che è andato perduto lo strato di ozono, quindi arriverebbe un alto flusso di radiazioni sulla superficie terrestre“, ha detto Rothschild. “Con un tale flusso di UV, la superficie verrebbe sterilizzata immediatamente“. Ma pochi centimetri più in profondità, tuttavia, ci sarebbe un fiorente (anche se invisibile) ecosistema.

Se sapessimo in anticipo che il cielo sta’ per cadere, ci sarebbero due modi per prepararsi al cambiamento. In primo luogo, si potrebbero costruire cupole pressurizzate, e riempirle con piante, che siano in grado di sostenere il ciclo carbonio-ossigeno e servire come fonte di cibo. “Sarebbe come imparare a vivere su un pianeta senz’aria o sulla luna – avremmo bisogno di habitat in pressione. Ci sono molti progetti per costruire basi lunari che potrebbero essere autosufficienti, quindi se avessimo il tempo, potremmo organizzarci per costruire degli habitat per la Terra“, ha scritto Landis.

Opzione due eliminare la necessità di una pressurizzazione artificiale: “Potremmo vivere sott’acqua. A soli dieci metri di profondità (circa 30 piedi), la pressione dell’acqua è uguale a un’atmosfera, così, fino a quando fossimo in grado di trovare un modo per creare l’ossigeno per respirare (forse ricavandolo dall’elettrolisi dell’acqua di mare), potremmo vivere in habitat sottomarini.

Articolo originale

Gli scienziati hanno scoperto che l’acqua potrebbe esistere in un nuovo stato

Una delle cose più elementari che ci viene insegnata nelle classi di scienze della scuola è che l’acqua può esistere in tre diversi stati: ghiaccio solido, acqua allo stato liquido e gas o vapore. Ma un team internazionale di scienziati ha recentemente scoperto segni che l’acqua liquida potrebbe avere due stati diversi.

Stando ad un documento sperimentale, pubblicato sull’International Journal of Nanotechnology, i ricercatori sono stati sorpresi di scoprire che un certo numero di proprietà fisiche dell’acqua cambiano il loro comportamento tra 50 C° e 60 C°. Questo segno di un potenziale cambiamento ad un secondo stato liquido potrebbe innescare una accesa discussione nella comunità scientifica. E, se confermato, potrebbe avere implicazioni per una vasta gamma di settori, tra cui le nanotecnologie e la biologia.

Gli stati della materia, detti anche “fasi”, sono un concetto chiave nello studio dei sistemi di base di atomi e molecole. In parole povere, un sistema formato da molte molecole può essere disposto in un certo numero di configurazioni a seconda della sua energia totale. A temperature più elevate (ed energie di conseguenza superiori), le molecole hanno più configurazioni possibili e così sono più disorganizzate e possono muoversi in modo relativamente libero (fase gassosa). A temperature più basse, le molecole hanno un numero più limitato di configurazioni e così formano una fase più ordinata (liquido). Se la temperatura scende ulteriormente, si dispongono in una configurazione molto specifica, producendo un solido.

Questa immagine è comune per molecole relativamente semplici quali anidride carbonica o metano, che hanno tre chiari stati diversi (liquido, solido e gassoso). Ma per le molecole più complesse, vi è un maggior numero di possibili configurazioni e questo dà luogo a più fasi. Una bella illustrazione di questo è il comportamento ricco dei cristalli liquidi, che sono formati da molecole organiche complesse che possono fluire come liquidi, ma hanno ancora una struttura cristallina simile a un solido

Poiché la fase di una sostanza è determinata da come le sue molecole sono configurate, molte proprietà fisiche di tale sostanza cambieranno bruscamente quando si passa da uno stato all’altro. Nel recente documento, i ricercatori hanno misurato diverse proprietà fisiche rivelatrici dell’acqua a temperature comprese tra 0 C° e 100 C° in condizioni atmosferiche normali (cioè l’acqua era un liquido). Sorprendentemente, hanno trovato una bizzarria per quanto riguarda le proprietà quali la tensione superficiale dell’acqua ed il suo indice di rifrazione (una misura di come la luce viaggia attraverso di essa) a circa 50 C°.

Come può essere? La struttura di una molecola di acqua, H2O, è molto interessante e può essere rappresentata come una sorta di punta di freccia, con i due atomi di idrogeno che fiancheggiano l’atomo di ossigeno in alto. Gli elettroni nella molecola tendono ad essere distribuiti in modo piuttosto asimmetrico, con il lato costituito dall’ossigeno caricato negativamente rispetto al lato costituito dalle due molecole di idrogeno. Questa semplice caratteristica strutturale porta ad un tipo di interazione tra le molecole d’acqua nota come il legame idrogeno, in cui le cariche opposte si attraggono.

Questo dà all’acqua delle proprietà che, in molti casi, rompono le tendenze osservate per altri liquidi semplici. Ad esempio, a differenza delle altre sostanze, una massa fissa di acqua occupa più spazio come solido (ghiaccio) che come (liquido) per il modo in cui le molecole formano una struttura regolare specifica. Un altro esempio è la tensione superficiale dell’acqua liquida, che è circa il doppio di quella di altri liquidi semplici, non polari.

L’acqua è abbastanza semplice, ma non troppo. Ciò significa che c’è una possibilità di spiegare l’apparente fase extra dell’acqua che in questo caso si comporta un po’ come un cristallo liquido. I legami idrogeno tra le molecole mantengono un qualche ordine alle basse temperature, ma alla fine potrebbero dare origine ad una seconda fase liquida, meno ordinata a temperature più elevate. Questo potrebbe spiegare le bizzarrie osservate dai ricercatori nei loro dati.

Se confermati, i risultati degli autori potrebbero avere molte applicazioni. Ad esempio, se i cambiamenti nell’ambiente (come la temperatura) causano variazioni nelle proprietà fisiche di una sostanza, allora questo può potenzialmente essere utilizzato per applicazioni di rilevamento. Inoltre, più fondamentalmente, i sistemi biologici sono per lo più fatti di acqua. Come l’interazione biologica reciproca di alcune molecole (ad esempio le proteine) che probabilmente dipende dal modo specifico in cui le molecole di acqua si organizzano per formare una fase liquida. Capire come le molecole d’acqua si dispongono in media a diverse temperature potrebbe far luce sul modo in cui interagiscono nei sistemi biologici.

La scoperta è un’opportunità interessante per teorici e sperimentali, e un bellissimo esempio di come anche la sostanza più familiare abbia ancora segreti nascosti da svelare.

Buchi neri esotici si trasformano in un superfluido

  

I buchi neri nel nostro universo possono sembrare bizzarre e voraci bestie – ma le cose più strane sono quelle possibili. Simulazioni di buchi neri ne hanno rivelato i primi esemplari superfluidi.
I superfluidi sono una forma di materia che fa un ulteriore passo avanti oltre la mera fusione. Quando un solido si trasforma in un liquido, ciò che era robusto e rigido comincia a fluire. I superfluidi hanno zero aderenza o viscosità: possono scorrere anche in salita. Essi hanno anche una temperatura completamente uniforme.
Ma i superfluidi sono estremamente difficili da creare. Solo l’elio liquido è stato persuaso a diventare un superfluido, e poi solo a temperature vicine allo zero assoluto. Inoltre sono ancora più difficili da studiare o da rendere in un modello: molti dei calcoli importanti e necessari per determinarne le proprietà e il funzionamento nessuno sa ancora come farli.
Ora, Robert Mann presso l’Università di Waterloo in Canada ed i suoi colleghi hanno modellato un buco nero teorico che cambia in un modo che è matematicamente identico a quello che fa l’elio liquido superfluido quando si trasforma.
Questi modelli di buchi neri sono esotici, esistenti in un più alto spazio-tempo con proprietà molto diverse dal nostro. Dando certe condizioni per l’interazione della gravità con la materia, l’interruttore di superfluidità potrebbe potenzialmente scattare in un insieme più ampio di buchi neri – ma probabilmente non quelli del nostro universo.
E’ pensabile che queste condizioni possano essere soddisfatte nel nostro universo, ma probabilmente non lo sono“, dice Mann.
Anche così, simularli è potenzialmente illuminante. “Questo ci potrebbe dire qualcosa dei superfluidi che non siamo in grado di calcolare con altri metodi, e questo è parte del divertimento“, dice Jennie Traschen dell’Università del Massachusetts Amherst.
L’altra parte della ricerca è esattamente l’opposto: lo studio dei superfluidi potrebbe insegnarci come i buchi neri si comportano a diverse temperature e pressioni. “Si possono vedere questi fenomeni termodinamici all’opera sul buco nero, e si può imparare da queste interazioni come la termodinamica opera nel mondo di tutti i giorni,” dice il co-autore Robie Hennigar, dell’Università di Waterloo.
Utilizzando un enigma per modellarne un’altro, i ricercatori stanno avvicinandosi sempre più ad una comprensione di entrambi.

Perchè Vera Rubin meritava il Nobel

Vera Rubin è la seconda da sinistra.

Se guardiamo indietro al 2016, e ci proiettiamo verso il 2017, siamo in grado di prendere coscienza delle notevoli cose che sappiamo e continuiamo a scoprire sull’universo. Oltre ad una migliore comprensione del 5 per cento della materia ordinaria che è stato ben studiato e compreso, gli scienziati stanno scoprendo cose importanti circa il resto, composto per il 25 per cento da materia oscura, e per il restante 70 per cento da energia oscura.

La materia oscura interagisce gravitazionalmente nello stesso modo in cui lo fa la materia ordinaria dando origine all’aggregazione della materia stessa in galassie e ammassi di galassie, ad esempio, ma noi la chiamiamo “oscura”, perché non interagisce in alcun modo percepibile, con la luce, e risulta quindi invisibile. Quindi, l’85 per cento della materia nell’universo, non è la materia che ci è familiare. Non è fatta di atomi e non trasporta carica elettrica.

Le osservazioni svolte nel 1980 hanno presentato nuove prove convincenti dell’esistenza della materia oscura, aprendo un vasto nuovo campo di lavoro scientifico. Di tutti i grandi progressi della fisica del 20° secolo, questo sicuramente dovrebbe essere considerato di rango superiore, il che lo rende ben meritevole del premio più importante a livello mondiale nel campo, il premio Nobel. Eppure, per questo studio nessuno si è mai aggiudicato il Nobel, e non potrà più, perché lo scienziato più accreditato per la scoperta, Vera Rubin, è morta il giorno di Natale 2016.

Anche i fisici che sono ormai leggendari hanno lavorato spesso nell’oscurità fino a quando il Nobel li ha elevati alla celebrità globale. Così molte persone potrebbero non essere a conoscenza del lavoro della Dr.ssa Rubin, nonostante la sua importanza pionieristica. Se avesse vinto il premio, sarebbe stata ampiamente celebrata per i suoi successi e probabilmente sarebbe servita da ispirazione per  aspiranti scienziati in tutto il mondo.

Alcuni fisici che si sono opposti alla candidatura della Dr.ssa Rubin si sono concentrati su controversie legittime, come se le sue prove indirette fossero sufficienti a determinare l’esistenza della materia oscura, o se siano state indispensabili per interpretare la rotazione eccessivamente rapida delle galassie – un fenomeno che lei e i suoi collaboratori avevano decisamente osservato – come prova dell’esistenza della materia oscura.

Ma simili obiezioni potrebbero venire sollevate circa la maggior parte delle scoperte che hanno ottenuto il Nobel. Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson hanno rilevato un rumore di fondo con la loro antenna radio, ma altri fisici successivamente hanno spiegato che era in realtà la scoperta della radiazione cosmica di fondo che permea l’universo a partire dal momento del Big Bang. Ma Penzias e Wilson giustamente hanno vinto il Nobel in ogni caso.

Nel 1990, gli astronomi hanno scoperto che l’espansione dell’universo accelera piuttosto che decelerare, come avevano inizialmente previsto con le misurazioni, ma nessuno sa cosa fornisce l’energia sconosciuta (oscura) che è responsabile di ciò, o anche se è un’energia costante, che il termine “energia oscura” implica.

La superconduttività ad alta temperatura è stata scoperta come fenomeno, senza conoscere il meccanismo sottostante. Eppure, tutti questi progressi meritatamente hanno fatto guadagnare ai loro scopritori il Nobel.

Un altro argomento a volte sollevato contro la Dr.ssa Rubin è che molti scienziati hanno contribuito a mettere insieme il quadro dell’esistenza della materia oscura. Questo è certamente vero. Eppure, i suoi dati sono stati per lungo tempo la prova più evidente che qualcosa non andava, anche se lei non sapeva ancora quello cosa ne era responsabile. (E in ogni caso, avrebbe potuto condividere il premio con un massimo di altri due scienziati.)

Di certo è stata tra i primi a suggerire agli scienziati di prestare attenzione. Detto con le sue parole, “ho deciso di scegliere un problema che potevo andare ad osservare e su cui potevo fare progressi, si spera, un problema cui le persone sarebbero state interessate, ma non tanto interessate da prendere parte alla ricerca prima che avessi finito.” E ha funzionato. Notò che il materiale che si trova nella periferia delle galassie ruota alla stessa velocità del materiale vicino al centro, che non è quello che ci si aspetterebbe a meno che non ci fosse molta più materia nella galassia di quanta si poteva vedere.

L’intuizione dellla Dr.ssa Rubin era rivoluzionaria, e per questo ha ricevuto altri premi nella sua carriera; nel 1993, il presidente Bill Clinton le ha assegnato la National Medal of Science.

L’elefante nella stanza è di genere. La Dr.ssa Rubin non è la sola ad essere stata trascurata per il Nobel. Ad ogni grande scoperta nel Modello Standard della fisica delle particelle, forse il coronamento della fisica del 20° secolo, è stato assegnato un Nobel, tranne uno. Wu Jianxiong, che ha dimostrato che le leggi fisiche distinguono tra destra e sinistra, è stata ignorata, anche se due dei suoi colleghi maschi hanno vinto il premio per lo sviluppo della teoria che sta dietro al suo lavoro e anche una violazione di simmetria di follow-up ancora più sottile, più tardi ha vinto il premio.

Dei 204 premi Nobel in fisica, solo due sono stati vinti da donne, e la prima e più nota, Marie Curie, è stata inclusa solo perché il marito, Pierre, ha insistito che fosse assegnato anche a lei per il lavoro svolto insieme. Premi e riconoscimenti di solito richiedono un giudizio, e ci sarà quasi sempre un certo grado di polemica. Ma non ci vuole uno scienziato per capire che i numeri del Nobel sono sbagliati.

Ma il premio è importante? Certo che lo è. E’ importante per gli individui, per la sociologia della scienza e per la scienza stessa. La Dr.ssa Rubin è stata una forte sostenitrice delle scienziate donne. Ma immaginare quante più persone avrebbe raggiunto se il suo nome fosse stato anche nella lista dei vincitori.

E’ un peccato che la mancanza di un Nobel alla Dr.ssa Rubin porti a questo tipo di conversazioni, piuttosto che semplicemente al riconoscimento dei suoi successi. Quando le donne sono incluse in un qualsiasi elenco di assunzione, conferenzieri o vincitori, i responsabili spesso sottolineano con orgoglio i loro sforzi, come se si trattasse di un servizio, non importa quanto meritevoli le destinatarie potrebbero essere. Il lavoro della Dr.ssa Rubin ha dimostrato che c’è molto di più rispetto all’universo che vediamo.

Fonte

8 modi in cui puoi vedere applicata la teoria della relatività di Einstein nella vita reale

La relatività è una delle più famose teorie scientifiche del 20° secolo, ma quanto bene spiega le cose che vediamo nella nostra vita quotidiana?
Formulata da Albert Einstein nel 1905, la teoria della relatività è l’idea che le leggi della fisica sono le stesse ovunque. La teoria spiega il comportamento degli oggetti nello spazio e nel tempo, e può essere usata per predire tutto dall’esistenza dei buchi neri, alla curvatura della luce a causa della gravità, al comportamento del pianeta Mercurio nella sua orbita.
La teoria è ingannevolmente semplice. In primo luogo, non esiste una struttura “assoluta” di riferimento. Ogni volta che si misura la velocità di un oggetto, o il suo momento, o come sperimenta il tempo, è sempre in relazione a qualcos’altro. In secondo luogo, la velocità della luce è la stessa indipendentemente da chi la misura e da quanto velocemente viaggia la persona che fa la misurazione. In terzo luogo, nulla può andare più veloce della luce.
Le implicazioni della più famosa teoria di Einstein sono profonde. Se la velocità della luce è sempre la stessa, significa che un astronauta che va molto veloce rispetto alla Terra misurerà i secondi in modo più lento rispetto ad un osservatore che si trova sulla Terra – il tempo rallenta sostanzialmente per l’astronauta, un fenomeno chiamato dilatazione del tempo.
Qualsiasi oggetto in un grande campo gravitazionale accelera, e sperimenterà anche la dilatazione del tempo. Nel frattempo, la nave spaziale dell’astronauta sperimenterà la contrazione della lunghezza, il che significa che se si farà una foto della navicella durante il volo, apparirebbe come se fosse “schiacciata” nella direzione del moto. Per l’astronauta a bordo, però, tutto sembrerebbe normale. Inoltre, la massa della navicella sembrerebbe aumentare dal punto di vista delle persone sulla Terra.
Ma non è necessario che una navicella spaziale voli a velocità prossime a quella della luce per vedere gli effetti relativistici. In realtà, ci sono diversi casi di relatività che possiamo vedere nella nostra vita quotidiana, e anche le tecnologie che utilizziamo oggi dimostrano che Einstein aveva ragione. Ecco alcuni modi per vedere in azione la relatività.

1. Global Positioning System
Perchè il navigatore GPS della vostra auto funzioni nel modo accurato in cui funziona, i satelliti devono prendere in considerazione gli effetti relativistici. Questo perché, anche se i satelliti non si muovono ad una velocità vicina a quella della luce, essi sono comunque abbastanza veloci. I satelliti inviano anche segnali alle stazioni sulla Terra. Queste stazioni (e le unità GPS in auto) sperimentano tutte accelerazioni superiori a causa della gravità rispetto ai satelliti in orbita.
Per ottenere che la precisione sia millimetrica, i satelliti usano orologi che hanno una precisione di pochi miliardesimi di secondo (nanosecondi). Dal momento che ogni satellite è situato 12.600 miglia (20.300 chilometri) sopra la Terra e si muove a circa 6.000 miglia all’ora (10.000 km/h), c’è una dilatazione del tempo relativistica che vira su circa 4 microsecondi ogni giorno. Aggiungete gli effetti della gravità e il divario arriva a circa 7 microsecondi. Che diventano 7.000 nanosecondi.
La differenza è reale: se non si contassero gli effetti relativistici, una unità GPS che ti dicesse che ci vuole mezzo miglio (0,8 km) alla prossima stazione di servizio ti darebbe l’indicazione sbagliata di 5 miglia (8 km) dopo un solo giorno.

2. elettromagneti
Il magnetismo è un effetto relativistico, e possiamo ringraziare la relatività per il fatto che i generatori funzionano.
Se si prende un anello di filo e lo si fa muovere attraverso un campo magnetico, si genera una corrente elettrica. Le particelle cariche nel filo sono influenzate dal campo magnetico variabile, che obbliga alcune di loro a spostarsi e crea la corrente.
Ma ora, immaginate il filo a riposo e immaginate che sia il magnete in movimento. In questo caso, le particelle cariche nel filo (gli elettroni e protoni) non si muovono più, quindi il campo magnetico non dovrebbe più influenzarli. Ma lo fa, e una corrente scorre ancora. Questo dimostra che non vi è nessuna struttura di riferimento privilegiato.
Thomas Moore, professore di fisica presso il Pomona College di Claremont, California, utilizza il principio della relatività per dimostrare perchè la legge di Faraday, in cui si afferma che un campo magnetico variabile genera una corrente elettrica, è vera.
Dal momento che questo è il principio di base dietro ai trasformatori e ai generatori elettrici, chi usa l’elettricità sta sperimentando gli effetti della relatività“, ha detto Moore.
Gli elettromagneti funzionano anch’essi tramite la relatività. Quando una corrente elettrica diretta scorre attraverso un filo, gli elettroni sono alla deriva attraverso il materiale. Normalmente il filo sembrerebbe elettricamente neutro, senza carica netta positiva o negativa. Questa è una conseguenza di avere lo stesso numero di protoni (cariche positive) ed elettroni (cariche negative). Ma, se si mette un altro filo accanto ad esso con una corrente continua, i fili si attraggono o respingono, a seconda della direzione in cui la corrente è in movimento.
Supponendo che le correnti si muovano nella stessa direzione, gli elettroni del primo filo vedono gli elettroni del secondo filo come immobili (premesso che le correnti abbiano circa la stessa forza). Nel frattempo, dal punto di vista degli elettroni, i protoni in entrambi i fili sembra si stiano muovendo. A causa della contrazione delle lunghezze relativistiche, sembrano essere più strettamente posizionati, quindi c’è più carica positiva per lunghezza di filo che carica negativa. Dal momento che le cariche si respingono, i due fili anche si respingono.
Correnti che vanno in direzioni opposte determinano l’attrazione, perché dal punto di vista del primo filo, gli elettroni dell’altro filo sono più ammassati, creando una carica negativa netta. Nel frattempo, i protoni nel primo filo stanno creando una carica positiva netta, e cariche opposte si attraggono.
3. Il Colore Giallo dell’oro
La maggior parte dei metalli sono lucidi poiché gli elettroni negli atomi saltano da differenti livelli di energia, detti “orbitali”. Alcuni fotoni che colpiscono il metallo vengono assorbiti e riemessi, anche se a una lunghezza d’onda più lunga. Molta luce visibile, però, si riflette solo.
L’oro è un atomo pesante, così i suoi elettroni interni si muovono abbastanza velocemente quando l’aumento la massa relativistica è significativo, così come la contrazione della lunghezza. Come risultato, gli elettroni girano attorno al nucleo in percorsi più brevi, con più slancio. Gli elettroni in orbitali interni trasportano energia che è più vicina all’energia degli elettroni esterni, e le lunghezze d’onda che vengono assorbite e riflesse sono più lunghe.
Una lunghezza d’onda maggiore della luce fa sì che una parte della luce visibile che di solito viene riflessa viene assorbita, e questa luce appartiene alle lunghezze d’onda tendenti al blu dello spettro. La luce bianca è un mix di tutti i colori dell’arcobaleno, ma nel caso dell’oro, quando la luce viene assorbita e riemessa le lunghezze d’onda sono solitamente più lunghe. Ciò significa che il mix di onde luminose che vediamo tende ad avere meno blu e viola. Questo rende l’oro apparentemente di colore giallastro poichè giallo chiaro, arancione e rosso hanno una lunghezza d’onda più lunga del blu.

4. L’oro non si corrode facilmente
L’effetto relativistico sugli elettroni dell’oro è anche uno dei motivi per cui il metallo non si corrode e non reagisce facilmente con qualsiasi altra cosa.
L’oro ha un solo elettrone nel suo guscio esterno, ma non è così reattivo come nel calcio o nel litio. Gli elettroni dell’oro, invece sono più “pesanti” di quanto dovrebbero essere, sono tutti tenuti più vicino al nucleo atomico. Ciò significa che l’elettrone più esterno, è improbabile che sia in un posto dove può reagire con altri – è altrettanto probabile che sia tra i suoi compagni elettroni che sono vicino al nucleo.
5. Il mercurio è liquido
Simile all’oro, anche il mercurio è un atomo pesante, con elettroni tenuto vicino al nucleo a causa della loro velocità e il conseguente aumento di massa. Nel mercurio, i legami tra i suoi atomi sono deboli, quindi il mercurio fonde a temperature più basse ed è tipicamente un liquido quando lo vediamo.
6. il vostro vecchio televisore
Solo pochi anni fa, la maggior parte dei televisori e dei monitor avevano schermi a tubo a raggi catodici. Un tubo catodico funziona sparando elettroni su di una superficie trattata con fosforo tramite un grande magnete. Ogni elettrone creava un pixel luminoso quando colpiva la parte posteriore dello schermo. Gli elettroni erano puntati per far muovere l’immagine fino al 30 per cento della velocità della luce. effetti relativistici sono evidenti, e quando i produttori hanno progettato i magneti, hanno dovuto prendere in considerazione tali effetti.
7. Luce
Se Isaac Newton avesse avuto ragione nel ritenere che ci sono regole assolute, avremmo dovuto trovare una spiegazione diversa per la luce, perché con tali regole non sarebbe esistita.
Non solo non sarebbe esistito il magnetismo ma nemmeno la luce, perché la relatività richiede che i cambiamenti in un campo elettromagnetico si muovano ad una velocità finita, invece che istantaneamente,” dice Moore, del Pomona College. “Se la relatività non rispettasse questo requisito… i cambiamenti dei campi elettrici verrebbero comunicati istantaneamente… invece che attraverso le onde elettromagnetiche, e sia il magnetismo e la luce sarebbero inutili.

8. Impianti Nucleari e Supernove
La relatività è uno dei motivi per cui massa ed energia possono essere convertiti l’una nell’altra, che è il modo in cui funzionano le centrali nucleari, e il meccanismo che fa splendere il sole. Un altro effetto importante si ha nelle esplosioni di supernova, che segnano la morte di stelle massicce.
Le [Supernove] esistono perché gli effetti relativistici superano gli effetti quantistici nel nucleo di una stella sufficientemente massiccia, permettendole così di collassare di colpo sotto il loro stesso peso fino a diventare una stella di neutroni molto più piccola e densa“, ha detto Moore.
In una supernova, gli strati esterni della stella crollano verso il suo cuore e creano una gigantesca esplosione che, tra le altre cose, crea elementi più pesanti del ferro. In realtà, quasi tutti gli elementi pesanti che ci sono familiari nascono nelle supernove.
Noi siamo fatti di materiale creato e disperso dalle [supernove]“, ha detto Moore. “Se la relatività non esistesse, anche le stelle più massicce finirebbero la loro vita come nane bianche, senza esplodere, e noi non saremmo in giro a pensarci.

Perché il bosone di Higgs è chiamato particella di Dio?

Il bosone di Higgs (dal cognome dello scienziato USA Peter Higgs che lo teorizzò per primo nel 1964) è una particella elementare che è stata osservata per la prima volta nel 2012 durante gli sperimenti ATLAS e CMS, condotti con l’acceleratore LHC del CERN di Ginevra. Il nomignolo “particella di Dio”, attribuitogli dagli scienziati, nasce dal fatto che secondo i modelli teorici che descrivono la nascita dell’universo, un decimo di miliardesimo di secondo dopo il Big bang, le particolari condizioni fisiche portarono alla produzione dei bosoni. La sua importanza è quella di essere portatore di forza del campo di Higgs, che secondo la teoria permea l’universo conferendo la massa alle particelle elementari e che porta quindi alla successiva differenziazione dei vari tipi di materia.