Contattaci

Fisica

Che cos’è la meccanica quantistica

La meccanica quantistica, o teoria dei quanti, è una teoria che i suoi stessi creatori non capivano pienamente, ma che si è rivelata l’unica capace di spiegare il comportamento della materia nel mondo microscopico.

Pubblicato

il

Nel cuore della materia c’è un mondo immenso, composto da miliardi e miliardi di particelle, che sfugge ai nostri sensi e alla nostra intuizione. Un mondo in cui non valgono le leggi fisiche usuali, ma quelle più complicate e “misteriose” della meccanica quantistica, una teoria così paradossale da stupire gli stessi scienziati che l’hanno inventata. «Nessuno la comprende davvero» ha detto nel 1965 Richard Feynman, uno dei fisici più brillanti della sua generazione.

AFFASCINANTE. Eppure questa teoria funziona, perché descrive il mondo degli atomi e delle molecole con precisione impeccabile. E ha moltissime applicazioni, dai laser alla risonanza magnetica. Anzi, si sospetta che siano alcuni fenomeni ad essa collegati, come l’effetto tunnel, a rendere possibile la fotosintesi e quindi la vita.

Non solo, la meccanica quantistica, per le sue caratteristiche quasi “magiche”, da sempre affascina filosofi e scienziati. E oggi sta entrando nella nostra cultura “quotidiana”, ispirando anche libri, film e opere d’arte. Ma che cos’è davvero questa teoria? E perché è così importante? Andiamo con ordine.

PARTICELLE MIRACOLO. Onde che si comportano come particelle, particelle che oltrepassano le barriere come fantasmi o che comunicano tra loro in modo “telepatico”… È questo lo strano mondo che gli scienziati si sono trovati di fronte quando hanno scoperto la meccanica quantistica.

Una delle caratteristiche principali di questa teoria è la quantizzazione. Cioè il fatto che, nel mondo microscopico, le quantità fisiche come l’energia non possono essere scambiate in modo “continuo”, come un flusso d’acqua del rubinetto che si può dosare a piacere, ma attraverso “pacchetti” detti “quanti”… come acqua contenuta in bicchieri o bottiglie dal volume prefissato. In virtù di questa proprietà, la luce è composta da corpuscoli di energia detti “fotoni”; e anche gli atomi possono assorbire questa energia soltanto a pacchetti: un atomo, per esempio, può assorbire o emettere 1 o 2 o 3 o più fotoni, ma non 2,7 fotoni o mezzo fotone.

È quello che avviene nell’effetto fotoelettrico, in base al quale un metallo colpito dal giusto tipo di luce produce elettricità: questo fenomeno, scoperto alla fine dell’800 e spiegato nel 1905 da Einstein, è alla base del funzionamento dei moderni pannelli fotovoltaici.

ONDA O PARTICELLA? La seconda “stranezza” della meccanica quantistica è il fatto che – come Giano Bifronte – tutte le particelle hanno una doppia natura: «In alcuni esperimenti si comportano come corpuscoli, in altri come onde» spiega Giancarlo Ghirardi, professore emerito di fisica all’Università di Trieste. «Un esperimento che mostra la natura ondulatoria degli elettroni è quello della doppia fenditura: si pone uno schermo sensibile di fronte a una doppia fenditura e si osserva che gli elettroni impressionano la lastra formando frange di interferenza, proprio come fa la luce (vedi disegno qui sotto). Altri esperimenti dimostrano invece che gli elettroni sono particelle».

fisica quantistica

Onda o particella? La luce passa da una fenditura, poi ne incontra altre due. Le onde interferiscono tra loro, creando chiazze alternate di luce e buio; se fossero particelle, ci sarebbe luce solo in A e in B. Con un fascio di elettroni accade la stessa identica cosa. Eppure, con altri esperimenti, si dimostra che gli elettroni sono particelle. Ecco perché si parla di “dualismo onda-particella”.

IMPREVEDIBILE. La fisica classica è “prevedibile”: permette di calcolare con precisione la traiettoria di un proiettile o di un pianeta. Nella meccanica quantistica, invece, quanto più precisamente si conosce la posizione di una particella, tanto più incerta diventa la sua velocità (e viceversa).

Lo dice il principio di indeterminazione, formulato nel 1927 dal fisico tedesco Werner Heisenberg. Quindi, se vogliamo descrivere il comportamento di un elettrone in un atomo, possiamo solo affermare che è localizzato in una nube intorno al nucleo, e la meccanica quantistica ci indica la probabilità che, effettuando una misura, l’elettrone si trovi in un certo punto. Prima della misura, lo stato dell’elettrone è descritto dall’insieme di tutti i possibili risultati: si parla quindi di sovrapposizione degli stati quantistici. Nel momento della misura, l’elettrone “collassa” in un singolo stato. Questo principio ha un risvolto concettuale importante: in un certo senso, con i loro strumenti di misura, gli scienziati intervengono nella creazione della realtà che stanno studiando.

COME FANTASMI. Un altro fenomeno quantistico bizzarro è l’effetto tunnel, cioè il fatto che le particelle possano superare una barriera come un fantasma passa attraverso un muro. «È così che si spiega il decadimento delle sostanze radioattive» dice Ghirardi. «La radiazione emessa da questi materiali, infatti, è costituita da particelle che superano una barriera energetica all’interno dei nuclei».

fisica quantistica

Un esperimento di propagazione della luce a velocità 4,7 volte superiore rispetto a quella nel vuoto (ma senza violare la relatività di Einsein), un fenomeno reso possibile dalla propagazione attraverso una barriera energetica (effetto tunnel).

INTRECCI LUMINOSI. Tutto ciò è già abbastanza strano. Ma il fenomeno più curioso è l’entanglement (“intreccio”). Immaginiamo di prendere due fotoni in una “sovrapposizione di stati” – possiamo pensarli come monete che girano all’infinito, mostrando entrambe le facce (testa o croce) – e di sottoporli all’entanglement, per poi portarli ai lati opposti dell’universo.

Secondo la meccanica quantistica, se effettuiamo una misura su uno dei due, e otteniamo per esempio testa, anche l’altra moneta, istantaneamente, cessa di trovarsi in uno stato indeterminato: se la misuriamo (dopo un secondo o dopo un secolo) siamo sicuri che il risultato sarà testa. Le due particelle sono come in… contatto telepatico. Assurdo? No, entanglement!

COME STAR TREKQuesta caratteristica sorprendente si può usare per realizzare il teletrasporto quantistico (vedi gallery qui sotto). «Supponiamo di voler trasferire da un punto A a un punto B un fotone identificato dal suo stato di polarizzazione» dice Ghirardi. «Per farlo bisogna disporre, oltre al fotone da teletrasportare, di due fotoni entangled, uno in A e l’altro in B. Poi si fa interagire il fotone da teletrasportare con il primo fotone entangled (quello in A) e si comunica all’osservatore in B l’esito dell’operazione, e così facendo gli si indica come deve manipolare il secondo fotone entangled per ottenere una copia identica del fotone di partenza».

In pratica, le informazioni del fotone di partenza sono trasferite in B grazie all’intermediazione dei fotoni intrecciati: in realtà si tratta di un trasferimento di informazioni, più che di un trasferimento di materia come quello di Star Trek.

 

Galleria

 

È per questo che il teletrasporto interessa soprattutto agli scienziati che studiano i computer quantistici del futuro. Computer, cioè, in cui sono elaborati qubit  invece dei “bit” (sequenze di “0” e “1”) dell’informatica tradizionale: il vantaggio è che i qubit consentono di svolgere in breve tempo, “in parallelo”, operazioni che ai computer tradizionali richiederebbero anni. Così, con un numero “n” di qubit, la quantità di strade di calcolo che possono essere intraprese contemporaneamente è pari a 2N, cioè 2x2x2… x2, n volte: con meno di 300 qubit si supererebbe il numero di particelle dell’intero universo. Finora, però, si riescono a manipolare solo pochi qubit, e con grande difficoltà: il “magico” mondo dei computer quantistici è tutto da esplorare.

Più di recente, 2 fisici dell’Università del Queensland (Australia) hanno ideato perfino il teletrasporto “temporale”, applicando l’entanglement al tempo anziché allo spazio, sempre con l’obiettivo di rendere possibili calcoli complessi. Ma, se funzionasse, sarebbe il primo vero esempio di macchina del tempo, sebbene un po’ diversa da come la fantascienza l’ha sempre immaginata.

fisica quantistica
29 persone (una sola donna, Marie Curie), 17 erano o sarebbero diventati premi Nobel, per la fisica o la chimica. Sono i partecipanti alla V Conferenza Solvay, dedicata ufficialmente a elettroni e protoni, ma che in realtà ospitò il primo grande dibattito sulla fisica quantistica, mettendo a confronto i sostenitori dell’interpretazione della meccanica quantistica secondo la scuola di Copenhagen e un nutrito gruppo di scettici che non credeva nella sua natura intrinsecamente probabilistica. I primi avevano come leader indiscusso Bohr e i secondi erano rappresentati da Einstein. I due scienziati si contrapposero a colpi di esperimenti mentali (Gedankenexperimente). Sono entrate nella leggenda le animate discussioni che iniziavano già durante la colazione del mattino, quando Einstein proponeva un esperimento mentale all’attenzione di Bohr, il quale poi passava la giornata a trovare una spiegazione che rientrasse nei canoni della meccanica quantistica.

I QUANTI NELLA FILOSOFIA E NELLA CULTURA. La meccanica quantistica però non è soltanto strana e complicata. Ci costringe anche a rivedere gli schemi mentali ai quali siamo abituati, mettendo alla prova le nostre convinzioni e offrendo nuove risposte alle domande che i filosofi si pongono da millenni. Ecco alcuni esempi.

IL DESTINO È PREVEDIBILE?

Come dimenticare, per esempio, le punizioni di Maradona? Le traiettorie impresse al pallone erano un mirabile incontro di sport e fisica. Tuttavia, se un ipotetico “Pibe de oro” quantistico si trovasse tra i piedi un elettrone, non riuscirebbe a calciarlo con la stessa precisione. Quel “pallone”, infatti, non seguirebbe la logica deterministica di tiro-gol.

Grazie al principio della sovrapposizione di stati, infatti, potrebbe essere in qualunque punto del campo, diffondendosi come una nebbia in più luoghi contemporaneamente. E soltanto dopo essere stato osservato “collasserebbe” finalmente in un punto preciso, magari proprio in rete… il destino, insomma, non è prevedibile.

Tutto il contrario di quello che sostenevano nel V sec. a. C. i greci Leucippo e Democrito, secondo i quali il mondo era composto da atomi che si muovono nel vuoto in modo prevedibile. Anche se poi, un secolo dopo, un altro greco, Epicuro, ipotizzò che tra gli atomi ci fossero urti casuali con conseguenze imprevedibili. La fisica classica, nell’800, sembrava dar ragione ai primi due. La meccanica quantistica, invece, seppure su basi completamente diverse, è più vicina al pensiero di Epicuro.

L’UNIVERSO ESISTE INDIPENDENTEMENTE DA NOI?

Esse est percipi: le cose, per esistere, hanno bisogno di essere percepite. Lo sosteneva nel ’700 il filosofo britannico George Berkeley, secondo cui una palla o un albero non esistono in sé, indipendentemente da noi: quelli che percepiamo sono gli stimoli sensoriali che ci arrivano direttamente da Dio. E il filosofo tedesco Immanuel Kant, sempre nel ’700, aveva ribadito che non si può conoscere il mondo “così come è in sé” (da lui definito noumeno), ma solo “ciò che appare”. Qualcosa di simile, due secoli dopo, dice la meccanica quantistica: per determinare la posizione di una particella, per esempio bisogna illuminarla… e allora la particella, colpita dalla luce, schizza via. Sappiamo dov’è, ma non dove sarà dopo un istante.

Per osservare la realtà, insomma, bisogna “disturbarla”: «Secondo l’interpretazione di Copenhagen » spiega Giulio Giorello, docente di filosofia della scienza all’Università Statale di Milano «gli eventi quantistici dipendono dalla presenza dell’apparato di osservazione che li deve misurare».

Einstein non riusciva a digerire questo aspetto della teo­ria: era infatti convinto che la real­tà fosse ben determinata e indipendente da chi l’osserva. Ma oggi gli esperti sono a favore dell’interpretazione di Copenhagen.

fisica quantistica

 

Niels Bohr e Albert Einstein, due padri della teoria. Fu in una delle loro discussioni sul significato fisico della meccanica quantistica che Einstein pronunciò la nota frase: “Dio non gioca a dadi”. Bohr confutò brillantemente tutte le critiche di Einstein, che però non si convinse mai fino in fondo della natura probabilistica del mondo quantistico. | WIKIMEDIA COMMONS

E SE L’EFFETTO PRECEDESSE LA CAUSA?

Uno dei pilastri della scienza classica è la regola secondo cui, nel mondo in cui viviamo, a ogni causa segue necessariamente un effetto: se tiro un sasso verso una finestra la rompo, se tocco il fuoco mi brucio. Nel ’700, il filosofo scozzese David Hume mise in discussione questo principio: anche se tutti i giorni due avvenimenti si susseguono, non dobbiamo considerare questo legame una conseguenza logica, perché potrebbe trattarsi di una nostra associazione di idee determinata dall’abitudine.

La scienza tradizionale non ha mai messo in dubbio il principio di causa ed effetto. La meccanica quantistica sembrerebbe violarlo, ma non è così: la teoria permette di calcolare con certezza alcuni aspetti dell’evoluzione delle particelle, ma non tutto (per il resto bisogna accontentarsi di calcolare la probabilità che un certo fenomeno accada). Ma in nessun caso la teoria ammette situazioni in cui, per esempio, l’effetto preceda la causa o ne sia scollegato.

LA NOSTRA ESSENZA SI ESTENDE A TUTTO L’UNIVERSO?

Quando navighiamo in Internet, lo spazio sembra essere risucchiato da un click del mouse, all’interno di collegamenti ipertestuali fra sistemi che distano migliaia di km l’uno dall’altro. Nel mondo subatomico, in certe condizioni, può succedere la stessa cosa: ci sono particelle “gemelle”, legate tra loro dalla proprietà dell’entanglement, che pur trovandosi in punti opposti dell’universo riuscirebbero a comunicare istantaneamente fra loro, agendo come un tutt’uno.

Questo fenomeno, ormai dimostrato, demolisce uno dei pilastri della fisica tradizionale: il principio di località . Tanto da far sorgere un dubbio: viviamo forse in un tutto indivisibile, dinamico, le cui parti sono interconnesse come sosteneva nel ’600 il filosofo olandese Baruch Spinoza?

Secondo la sua visione “panteistica”, esiste una sostanza unica e infinita, un ordine geometrico in cui Dio e natura coincidono (Deus sive natura, “Dio, ovvero la natura”) come causa interna al tutto.

LA NATURA RIFIUTA IL VUOTO?

Natura abhorret a vacuo (“la natura rifiuta il vuoto”): la frase risale al Medioevo, ma il concetto è antico: già nel IV sec. a. C. Il greco Aristotele e i suoi discepoli negavano l’esistenza di “un luogo in cui non c’è nulla”, dove “non è possibile che neppure un solo oggetto si muova”.

Il tabù, in Occidente, è rimasto per millenni, assimilato persino dalla Chiesa, che non tollerava l’esistenza di un luogo senza Dio. Poi la fisica classica aveva dimostrato che il vuoto si poteva creare, per esempio eliminando l’aria da un contenitore. Sembrava possibile anche creare il “vuoto perfetto”, cioè una regione di spazio del tutto priva di atomi e di luce.

Ma la meccanica quantistica ha stabilito che questo non è possibile: anche il “vuoto perfetto” conterrebbe infinite fluttuazioni energetiche in grado di generare particelle virtuali che nascono dal nulla e spariscono continuamente in tempi brevissimi. Aristotele, insomma, in un certo senso aveva ragione.

LA REALTÀ È MATERIA O INFORMAZIONE?

Oggi assistiamo al trionfo dell’informatica: testi, immagini, suoni e filmati viaggiano in Internet da una parte del mondo all’altra sotto forma di sequenze di 0 e 1: i bit. Questi mattoncini digitali, parte essenziale della nostra vita, ci portano a una riflessione: la realtà è formata da materia o da bit? Forse, come racconta il film di fantascienza Matrix, viviamo in un grande cervello elettronico che simula il mondo. Con la differenza che i bit della meccanica quantistica sono diversi da quelli “classici”: si chiamano qubit e consentono combinazioni (e operazioni logiche) di una complessità senza paragoni nel mondo dell’informatica tradizionale

ESISTE UNA TEORIA CAPACE DI SPIEGARE OGNI COSA?

I fisici cercano una Teoria del tutto, in grado di unificare ogni cosa: uomo e stelle, piccolo e grande… ce la faranno? Non è detto, ma l’ambizione è antica. A suo modo, ci aveva già provato nel VI sec. a. C. il filosofo greco Pitagora, affidando ai numeri, costituenti ultimi della natura, il compito di tenere unito l’universo.

Oggi, invece, si punta soprattutto a un’evoluzione della Teoria delle stringhe detta “Teoria M”. Più che un’unica teoria, al momento è un sistema di 5 teorie distinte che si applicano in contesti diversi.

Potremmo paragonarla a una grande mappa del mondo: per rappresentare fedelmente l’intera superficie terrestre occorrono tante piccole carte geografiche che, sovrapponendosi parzialmente tra loro, mostrano aspetti diversi dello stesso paesaggio.

 
   

Licenza Creative Commons

 

 

Crediti :

Focus

Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

Fisica

In Cina sono nati topi da due madri (e sono in salute)

Utilizzando cellule staminali e l’editing genico, un team di ricercatori dell’accademia delle scienze cinese è riuscito a far nascere una cucciolata di topi in buona salute da due madri

Pubblicato

il

Nuove nascite nei laboratori dell’Accademia delle scienze cinese. Una cucciolata di topi del tutto in salute. Ma la cosa sorprendente è che questi animali sono nati da genitori dello stesso sesso, e più precisamente da due madri. A raccontarlo sulle pagine di Cell Stem Cell sono stati proprio i ricercatori dell’Accademia delle scienze, in Cina, che servendosi delle cellule staminali e dell’editing genetico sono riusciti a dare alla luce topi sani da due madri. Sono nati, precisano i ricercatori, anche topi di due padri, ma sono riusciti a sopravvivere per soli due giorni.

Mentre alcuni rettili, anfibi e pesci possono riprodursi per partenogenesi, ovvero quella tipologia di riproduzione asessuata che non richiede alcun intervento da parte del maschio, è difficile per i mammiferi fare lo stesso anche con l’aiuto delle tecnologie più innovative: infatti, nei mammiferi, poiché alcuni geni materni e paterni vengono spenti durante lo sviluppo della linea germinale a seguito di un meccanismo chiamato imprinting genetico (ovvero la modulazione dell’espressione di una parte del materiale genetico), la prole che non riceve materiale genetico da una madre e un padre potrebbe subire anomalie dello sviluppo o non essere vitali.

“Eravamo interessati a capire il perché i mammiferi possono riprodursi solo sessualmente. Così abbiamo cercato di scoprire se i topi nati da due genitori di sesso femminile, o maschile, sarebbero potuti essere creati utilizzando cellule staminali embrionali aploidi con delezioni genetiche”, afferma l’autore Qi Zhou.

(foto: Leyun Wang)

 

Per capirlo, Zhou e il suo team di ricercatori hanno usato cellule staminali embrionali (Esc) aploidi, ovvero cellule che contengono metà del numero normale di cromosomi e il dna di un solo genitore. Successivamente, i ricercatori, servendosi di complesse tecniche di editing genetico, sono riusciti a iniettare queste cellule staminali contenenti il dna di un genitore femminile negli ovuli di un altro topo femmina. Al termine della sperimentazione, i ricercatori hanno osservato che da 210 embrioni sono riusciti a far nascere 29 topi sani (e che sono vissuti fino all’età adulta). “In questo studio abbiamo scoperto che le Esc aploidi erano più simili alle cellule germinali primordiali, i precursori di uova e spermatozoi, mentre l’imprinting genetico che si verifica nei gameti è stato cancellato”, spiegano i ricercatori.

Successivamente, i ricercatori sono riusciti a far nascere anche 12 topi da due padri con una procedura molto simile ma ancor più complessa. In questo caso, tuttavia, dopo aver modificato geneticamente le Esc aploidi di un topo maschio e averle iniettate insieme allo sperma dell’altro padre in una cellula uovo privata del suo materiale genetico, i cuccioli sono riusciti a sopravvivere solamente 48 ore dopo la nascita. Ora, il prossimo passo dei ricercatori sarà quello di migliorare quest’ultimo procedimento in modo tale che i cuccioli di topo nati da due padri possano riuscire a vivere fino all’età adulta. “Abbiamo anche rivelato alcune delle regioni genomiche più importanti che ostacolano lo sviluppo dei topi con genitori dello stesso sesso, informazioni che sono preziose e interessanti anche per lo studio dell’imprinting genomico e della clonazione animale, concludono i ricercatori.

In passato, precisiamo, che altri tentativi erano stati fatti per facilitare la riproduzione dello stesso sesso nei topi. Alcuni scienziati si erano concentrati sulla creazione di spermatozoi con il dna femminile e viceversa, di ovuli con il dna di un padre, mentre altri avevano utilizzato cellule staminali e l’editing genetico. Per fare qualche esempio, in uno studio del 2004 i ricercatori erano riusciti a creare i primi topi da due madri, dimostrando l’importanza dell’imprinting genetico nell’impedire la partenogenesi. Nel 2010, invece, un altro studio era riuscito a produrre topi da due padri utilizzando cellule staminali derivate dalla pelle (ma arrivare a un topo con solo dna maschile attraverso questa tecnica aveva richiesto più generazioni). Finora, tuttavia, tutti i topi nati in questi studi avevano ancora molti difetti di sviluppo. Risultati simili a questo ultimo studio, invece, erano stati raggiunti dagli stessi ricercatori dell’Accademia delle scienze cinese nel 2011, utilizzando un metodo che si basava su un intermediario femminile, tra i due padri.

 
   

Licenza Creative Commons

 

 

Crediti :

Wired

Continua a leggere

Fisica

Nobel per la fisica 2018, perché hanno vinto i laser

Ad Ashkin, Moureau e Strickland il premio Nobel per la fisica 2018 “per i loro studi innovativi nel campo della fisica dei laser”. Ecco perché sono importanti

Pubblicato

il

Ha vinto, dunque, la luce. La Royal Swedish Academy of Sciences ha assegnato il premio Nobel per la fisica 2018 ad Arthur Ashkin, dei Bell LaboratoriesGérard Mourou, della University of Michigan, e Donna Strickland, della University of Waterlooper i loro studi rivoluzionari nel campo della fisica dei laser. I tre inventori, spiegano da Stoccolma, hanno cambiato per sempre la fisica dei laser, permettendo di osservare, sotto una nuova luce (sic!), oggetti microscopici e processi rapidissimi: lo sviluppo di laser sempre più potenti e avanzati ha permesso infatti di mettere a punto strumenti di precisione che hanno spianato la strada verso aree di ricerca inesplorate e che hanno (e avranno) innumerevoli ricadute nel campo industriale e medico, oltre che nella fisica di base. Chi sono i vincitori  
(immagine: Nobel Prize)
Cominciamo dal raccontare chi sono i protagonisti di questa giornata. Arthur Ashkin, cui è andata la prima metà del premio, è uno scienziato statunitense classe 1922 che si è formato alla Columbia University e alla Cornell University. Fin dagli anni sessanta ha lavorato alla manipolazione di particelle mediante luce laser, inventando le cosiddette pinzette ottiche, uno strumento che – come suggerisce il nome – consente di acchiappare e manipolare molto precisamente, con la luce, particelle microscopiche come atomi, molecole e cellule biologiche. Ashkin, inoltre, si può considerare quasi un Nobel doppio: il suo lavoro, infatti, ha fornito le basi per gli studi sul raffreddamento e intrappolamento degli atomi condotti da Steven Chu, insignito del Nobel per la fisica nel 1997. Membro di innumerevoli società scientifiche, Ashkin ha lavorato per quarant’anni, fino al 1992, nei Bell Laboratories, per poi continuare, come ha lui stesso raccontato, a “lavorare da casa”. Gli altri due premiati, cui va ¼ del riconoscimento, sono Gérard Mourou e Donna Strickland. Mourou è uno scienziato francese che lavora per la University of Michigan, per la École Polytechnique di Palaiseau e per altri istituti di ricerca, co-inventore (insieme a Strickland, per l’appunto) della cosiddetta chirped pulse amplification (Cpa), una tecnica che permette di amplificare un impulso di radiazione elettromagnetica. Mourou ha inoltre inventato, nel 1994, una tecnica per evitare la divergenza dei fasci laser, sfruttando e combinando i fenomeni della diffrazione e della rifrazione. Strickland – la terza donna al mondo, dopo Marie Curie e Maria Goeppert-Mayer, a ricevere il Nobel per la fisica – è una ricercatrice canadese in forza alla University of Waterloo. Si è laureata in ingegneria fisica alla McMaster University e ha completato il dottorato di ricerca alla University of Rochester. Fu proprio durante il periodo di dottorato che lavorò, insieme a Mourou, alla chirped pulse amplification, il tema per cui le è stato assegnato il massimo riconoscimento. Attualmente dirige un gruppo di ricerca che si occupa di laser ultraveloci e ad alta intensità per studi nel campo dell’ottica nonlineare. Intrappolamento ottico Tutto parte da un’idea apparentemente visionaria: usare la luce per manipolare gli oggetti (inevitabile pensare al raggio traente di Star Trek). D’altronde, come sappiamo bene quando ci esponiamo al sole, la luce porta energia: e dunque, perché non provare a usare questa energia per afferrare, spingere e tirare oggetti microscopici? Detto, fatto: subito dopo l’invenzione del primo laser, negli anni sessanta, Arthur Ashkin si rese conto che le caratteristiche dei fasci laser (in particolare il fatto che si trattasse di luce coerente, cioè con differenze di fase costanti, e che i fasci stessi fossero estremamente focalizzati) li rendevano adattissimi a interagire con particelle microscopiche. Cominciò subito a giocare con lo strumento, rendendosi conto che effettivamente la pressione esercitata dai laser era sufficiente per muovere piccole sferette e che le sferette erano in qualche modo attirate verso il centro del fascio, dove l’intensità della luce era maggiore. Ashkin si rese conto che si poteva sfruttare questo fenomeno per costringere le sferette a muoversi dove si voleva semplicemente usando delle lenti che focalizzassero in un punto specifico la massima intensità del fascio. Nacquero così le prime trappole ottiche, o, se si preferisce, pinzette ottiche. Uno strumento economico, veloce e soprattutto precisissimo, che permise, negli anni a seguire, di manipolare addirittura singoli atomi (ci si riuscì nel 1986, dopo aver risolto una serie di complicazioni tecniche) e soprattutto sistemi biologici: nel corso di diversi esperimenti condotti su virus, batteri e cellule viventi Ashkin mostrò che le pinzette ottiche consentivano una manipolazione che, oltre ad essere precisa, era completamente non invasiva, e consentiva per esempio di afferrare il nucleo di una cellula senza distruggerne la membrana. Impulsi cortissimi e potentissimi Veniamo all’altro breakthrough, quello relativo all’invenzione della chirped pulse amplification. Negli anni ottanta, Donna Strickland era una dottoranda della University of Rocchester. Il suo supervisor era il professor Gérard Mourou, e i due lavoravano nel laboratorio di ottica dell’ateneo statunitense. In quel momento, la fisica dei laser sembrava essere arrivata a un binario morto: in sostanza, gli impulsi laser vengono generati con una reazione a catena in cui le particelle di luce, interferendo con sé stesse in una cavità che le amplifica, ne generano di nuove. Si riteneva fosse impossibile aumentare ancora l’intensità della luce prodotta senza distruggere il materiale della cavità. Strickland e Mourou riuscirono a superare il problema, ideando una tecnica che permetteva di allungare la durata temporale di un singolo impulso laser, amplificarne l’intensità e quindi rallentarlo di nuovo. Il trucco sta nel fatto che quando si aumenta la durata di un impulso la sua potenza di picco è molto più bassa, e quindi è possibile amplificarlo senza danneggiare l’amplificatore: una tecnica semplice ed elegante. E soprattutto efficace: nel 1985 il primo dispositivo superò la prova del laboratorio, rivoluzionando completamente la fisica dei laser e aprendo la strada a nuove applicazioni in fisica, chimica e medicina. Tante applicazioni Le pinzette di Ashkin, nel corso degli anni, sono state utilizzate in moltissimi campi: è stato possibile, per esempio, studiare diversi processi biologici tra cui il comportamento delle proteine, i cosiddetti motori molecolari, le caratteristiche del dna e la vita interna delle cellule. Uno dei campi più recenti, e promettenti, è quello della cosiddetta olografia ottica, in cui si usano contemporaneamente migliaia di pinzette, per esempio, per separare le cellule del sangue sane da quelle infette, il che potrebbe essere molto utile nella lotta alla malaria e ad altre malattie. Stesso discorso per la Cpa, che ha permesso, tra le altre cose, di realizzare la telecamera più veloce al mondo – che funziona grazie a impulsi laser della durata di pochi femtosecondi, un milionesimo di miliardesimo di secondo – e trivelle microscopiche precise e potentissime, con le quali è stato possibile bucare, letteralmente, atomi, molecole e cellule viventi. Ma, assicurano gli esperti, il meglio deve ancora venire.
Continua a leggere

Fisica

Vega C si prepara al lancio. Un video ci porta dietro le quinte della missione

Pubblicato

il

Partirà da Kourou, in Guyana francese, nella seconda metà del 2019, spinto da un motore straordinario che gli conferirà una potenza senza concorrenti tra i vettori spaziali della sua categoria. Vega-C, così si chiama, è l’ultimo arrivato tra i sistemi di lancio europei, e rappresenta un motivo di orgoglio anche per la scienza e tecnologia italiane: il cuore del suo sistema è stato infatti elaborato da un’azienda italiana con sede a Colleferro.

In questo video l’Agenzia spaziale europea ci porta dietro le quinte della missione.

 

 
   

Licenza Creative Commons

 

 

Crediti :

Wired

Continua a leggere

Newsletter

NASA TV

SPACE X

Facebook

I più letti