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Fisica

Ecco gli eccitoni, una nuova forma della materia

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L’avevano previsto già 50 anni fa ma nessuno lo aveva ancora trovato. Ora però, grazie a una tecnica innovativa, un team di ricercatori dell’Università dell’Illinois, insieme ai colleghi dell’Università della California e dell’Università di Amsterdam, annuncia dalle pagine di Science di aver prodotto la prima prova sperimentale della reale esistenza dell’eccitonio, uno strano stato della materia che potrebbe aiutare a risolvere alcuni rompicapo della meccanica quantistica.

“Da quando il termine ‘eccitonio‘ è stato coniato negli anni ’60 dal fisico teorico di Harvard Bert Halperin”, ha commentato Peter Abbamonte, fisico dell’Università dell’Illinois, “i fisici hanno cercato di dimostrare la sua esistenza. I [fisici] teorici discutevano se potesse essere un isolante, un conduttore perfetto o un superfluido, e c’erano argomentazioni convincenti su tutti i fronti. A partire dagli anni ’70, molti [fisici] sperimentali hanno pubblicato prove dell’esistenza dell’eccitonio, ma le loro scoperte non costituivano mai una prova definitiva e potevano anche essere spiegate da una transizione di fase strutturale convenzionale”.

Ma che cos’è l‘eccitonio? Gli esperti lo descrivono come il primo stato di plasma morbido mai osservato, precursore di un condensato di eccitoni, cioè delle quasi-particelle subatomiche composte da un elettrone eccitato e dalla sua lacuna. In pratica gli eccitoni sono un particolare tipo di bosonia bassa energia che si creano quando nei materiali semiconduttori un elettrone viene – appunto – eccitato e salta al livello energetico successivo, lasciando una lacuna nel livello energetico precedente.

 

La cosa affascinante è che la lacuna si comporta come una particella carica positivamente attraendo l’elettrone e formando questo strano accoppiamento quanto-meccanico

 

L’esistenza degli eccitoni era già stata teorizzata mezzo secolo fa, ma finora gli scienziati non erano riusciti a vederli sperimentalmente, o, per meglio dire, non potevano esserne sicuri perché disponevano di strumenti troppo poco precisi. La svolta è arrivata con l’introduzione della tecnica chiamata momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy (M-Eels), grazie alla quale i ricercatori hanno potuto misurare la traiettoria degli elettroni in fuga indipendentemente dalla loro quantità di moto.

Ecco dunque l’eccitonio, la prova che ci eccitoni esistono davvero, che non si sa ancora bene cosa sia, ma adesso le sue proprietà potranno essere studiate in modo approfondito. I fisici sostengono che se si rivelasse un superconduttore o un superfluido certamente potrebbe essere utilizzato per un aggiornamento di tecnologie già esistenti, ma le sue potenzialitàsono al momento imprevedibili. Si spera infatti che porti anche a una maggiore comprensione dei fenomeni quantistici, dirimendo magari qualche rompicapo ancora irrisolto.





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

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Fisica

Una nuova soluzione al paradosso di Fermi

Alcuni astronomi affermano in un nuovo studio che i movimenti stellari dovrebbero facilitare la diffusione delle civiltà in tutta la galassia, ma noi potremmo comunque trovarci soli

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Per quanto ne sappiano, siamo sempre stati soli. Siamo solo noi su questo puntino azzurro pallido, “la casa di tutti quelli che amate, di tutti quelli che conoscete, di tutti quelli di cui avete mai sentito parlare”, per citare una famosa frase di Carl Sagan. Nessuno ha chiamato, nessuno è venuto in visita. Eppure l’universo è pieno di stelle, quasi tutte hanno pianeti, e su alcuni di questi pianeti è sicuramente possibile vivere.

Dove sono tutti quanti? Il fisico italiano Enrico Fermi sarebbe stato il primo a porre questa domanda, nel 1950, e da allora gli scienziati hanno proposto una grande quantità di soluzioni al paradosso che porta il suo nome. Una delle più note è arrivata dallo stesso Sagan, che, insieme a William Newman, in un articolo del 1981 disse che dovevamo solo avere pazienza. Nessuno ci ha visitato perché sono tutti troppo lontani; perché si evolva una specie abbastanza intelligente da inventare viaggi interstellari ci vuole tempo, e altro tempo ancora perché quella specie si diffonda in così tanti mondi. Nessuno è ancora arrivato.

Altri ricercatori hanno sostenuto che la vita extraterrestre potrebbe diventare spaziale solo molto di rado (proprio come sulla Terra è stata una sola specie a diventarlo). Qualcuno sostiene che le specie con buone capacità tecnologiche, quando emergono, si autodistruggono rapidamente. Altri ancora suggeriscono che gli alieni potrebbero averci visitato in passato, o che ci stiano evitando di proposito, essendo abbastanza intelligenti da diffidare di tutti gli altri. Forse la risposta più pessimista è un fondamentale articolo  del 1975, in cui l’astrofisico Michael Hart dichiarò che l’unica ragione plausibile per cui nessuno ci ha visitato è che in realtà là fuori non c’è nessuno.

Enrico Fermi

© ImageSource / AGF

 

Ora arriva un articolo che confuta Sagan e Newman, ma anche Hart, e offre una nuova soluzione al paradosso di Fermi evitando le speculazioni sulla psicologia aliena o l’antropologia.

La ricerca, che è in corso di revisione per la pubblicazione su “The Astrophysical Journal” (qui il pre-print su arXiv.org), suggerisce che una civiltà spaziale non avrebbe bisogno di tutto il tempo ipotizzato da Sagan e Newman per saltare tra i pianeti della galassia, perché i movimenti delle stelle possono aiutare a diffondere la vita.

“Il Sole è stato vicino al centro della Via Lattea 50 volte”, ha detto Jonathan Carroll-Nellenback, astronomo dell’Università di Rochester, che ha condotto lo studio. “I soli movimenti stellari permetterebbero la diffusione della vita su scale temporali molto più brevi rispetto all’età della galassia.” Ma anche se le galassie possono essere completamente colonizzate in tempi abbastanza brevi, la nostra solitudine non è necessariamente paradossale: secondo le simulazioni di Carroll-Nellenback e colleghi, la variabilità naturale significa che a volte le galassie sono colonizzate, ma spesso non lo siano, risolvendo il dilemma di Fermi.

La questione di quanto facilmente possa essere colonizzata la galassia ha avuto un ruolo centrale nei tentativi di risolvere il paradosso di Fermi. Hart e altri hanno calcolato che una singola specie spaziale potrebbe popolare la galassia in pochi milioni di anni, forse anche in soli 650.000 anni. Data la relativa facilità con cui dovrebbero diffondersi, la loro assenza indica che non devono esistere, secondo Hart.

Sagan e Newman sostenevano che ci sarebbe voluto più tempo, in parte perché le civiltà longeve hanno la tendenza a crescere più lentamente. Società con ritmi di crescita più rapidi e violenti potrebbero estinguersi prima di aver potuto toccare tutte le stelle. E’ quindi possibile che siano esistite molte società con una crescita rapida e una vita breve, che poi sono scomparse, o qualche società con un’espansione lenta e una lunga vita, che non sono ancora arrivate, come ha sintetizzato la tesi di Sagan e Newman Jason Wright della Pennsylvania State University, coautore del nuovo studio.

Ma Wright non è d’accordo con nessuna delle due soluzioni. “Così si confonde l’espansione della specie nel suo complesso con la sostenibilità dei singoli insediamenti”, ha detto. “Anche se fosse vero per una specie, l’idea che se si stanno espandendo sono necessariamente di breve durata non è una ferrea legge della xenosociologia”. Dopo tutto, ha osservato, la vita sulla Terra è robusta, “e si espande molto velocemente”.

Nel loro nuovo articolo, Carroll-Nellenback, Wright e i loro collaboratori Adam Frank dell’Università di Rochester e Caleb Scharf della Columbia University, hanno cercato di esaminare il paradosso senza avanzare ipotesi non verificabili. Hanno modellato la diffusione di un “fronte d’insediamento” attraverso la galassia, e hanno scoperto che la sua velocità sarebbe fortemente influenzata dai movimenti delle stelle, che nei lavori precedenti – compresi quelli di Sagan e Newman – erano trattate come oggetti statici.

Il fronte di insediamento poteva percorrere l’intera galassia sulla base dei soli movimenti delle stelle, indipendentemente dalla potenza dei sistemi di propulsione. “C’è molto tempo per una crescita esponenziale che porti sostanzialmente all’insediamento di ogni sistema”, ha detto Carroll-Nellenback.

Allen Telescope Array

L’Allen Telescope Array è uno dei più grandi rediotelescopi usato anche per la ricerca di forme di vita intelligente extraterrestre. (Cortesia Seth Shostak/SETI Institute)

Ma il fatto che non ci siano visitatori interstellari – quello che Hart ha chiamato “Fatto A” – non significa che non esistano, dicono gli autori. Anche se alcune civiltà potrebbero espandersi e diventare interstellari, non tutte durerebbero per sempre. Inoltre, non tutte le stelle sono una meta interessante, e non tutti i pianeti sono abitabili. C’è anche quello che Frank chiama “l’effetto Aurora”, dall’ominimo romanzo di Kim Stanley Robinson, in cui i coloni arrivano su un pianeta abitabile su cui non possono comunque sopravvivere.

Quando Carroll-Nellenback e i suoi coautori hanno incluso nel loro modello questi ostacoli all’insediamento ed effettuato molte simulazioni con diverse densità stellari, semi di civiltà, velocità dei veicoli spaziali e altre variabili, hanno trovato un ampio spazio intermedio tra una galassia silenziosa e vuota e una brulicante di vita. E’ possibile che la Via Lattea sia parzialmente colonizzata o che lo sia saltuariamente; forse gli esploratori ci hanno visitato in passato, ma non ce ne ricordiamo, e si sono estinti. Il sistema solare potrebbe anche essere in mezzo ad altri sistemi colonizzati; è stato solo trascurato dai visitatori per milioni di anni.

Anders Sandberg, futurologo del Future of Humanity Institute all’Università di Oxford, che ha studiato il paradosso di Fermi, ha detto di pensare che le navicelle spaziali diffonderebbero le civiltà più efficacemente dei moti stellari. “Ma il rimescolamento delle stelle potrebbe essere importante”, ha scritto in un’e-mail, “poiché è probabile che diffonda sia la vita, attraverso la panspermia locale [la diffusione dei precursori chimici della vita], sia l’intelligenza, se è davvero così difficile percorrere lunghe distanze”.

Frank pensa che il nuovo articolo dia speranza a chi, come il SETI, cerca forme di vita intelligente. Lui e Wright dicono che ora dobbiamo cercare più intensamente eventuali segnali alieni, cosa che sarà possibile nei prossimi decenni quando telescopi più sofisticati punteranno sulla panoplia degli esopianeti e cominceranno a intravederne le atmosfere.

“Stiamo entrando in un’epoca in cui avremo dati reali rilevanti per la vita su altri pianeti”, ha detto Frank. “Non poteva esserci un momento più rilevante di questo.”

Seth Shostak, un astronomo del SETI Institute che ha studiato il paradosso di Fermi per decenni, pensa che a spiegarlo possa essere da qualcosa di più complesso della distanza e del tempo, come la percezione.

Forse non siamo soli e non lo siamo stati. “I coleotteri nel mio giardino non si accorgono di essere circondati da esseri intelligenti, cioè i miei vicini e me – dice Shostak – ma siamo comunque qui.”


(L’originale di questo articolo è stato pubblicato il 7 marzo 2019 da QuantaMagazine.org, una pubblicazione editoriale indipendente online promossa dalla Fondazione Simons per migliorare la comprensione pubblica della scienza.





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Il Regno Unito ha coniato una moneta in memoria di Stephen Hawking

Sulla sfera di metallo appena entrata in circolazione è rappresentato un buco nero, per commemorare il grande astrofisico scomparso il 14 marzo 2018

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Il Regno Unito ha deciso di omaggiare Stephen Hawking, il grande astrofisico affetto da Sla e deceduto un anno fa, il 14 marzo 2018, con una moneta. La piccola sfera di metallo, del valore di 50 penny (60 centesimi di euro circa, al cambio attuale), è entrata in circolazione il 12 marzo e si distingue dalle altre monete britanniche perché su una delle sue facce sono rappresentati un’equazione e un buco nero, a rappresentare le grandi passioni del fisico. Edwina Ellis, la designer che si è occupata del progetto, ha detto: “Mi piace pensare che se l’avesse vista avrebbe riso di gusto”.

Non è la prima volta che il Regno Unito dedica una moneta a uno scienziato entrato nell’immaginario comune: in passato anche Isaac Newton e Charles Darwin hanno ricevuto lo stesso onore.

Stephen Hawking moneta

Chi è stato Stephen Hawking, a un anno dalla scomparsa
Hawking è stato uno dei più importanti cosmologi e fisici dell’età contemporanea. La sua fama, negli ambienti scientifici, è pari a quella di Albert Einstein e dei più grandi luminari della scienza.

A lui si devono due importanti scoperte sui buchi neri e la teoria cosmologica sull’inizio senza confini dell’universo, lo stato di Hartle-Hawking.

Hawking era conosciuto anche per la forza con la quale ha affrontato la Sla, diagnosticatagli quando aveva 21 anni. La progressiva degenerazione della malattia non gli ha infatti impedito di partecipare a numerosi convegni ed eventi pubblici, di comparire in un episodio della sesta stagione di Star Trek, in uno spot della Jaguar e, più in generale.

 





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Le bimbe cinesi geneticamente modificate potrebbero avere un cervello migliorato

Nuove prove sostengono che la modifica del dna operata dallo scienziato cinese He Jiankui per creare esseri umani immuni da hiv potrebbe aver migliorato la capacità di apprendimento e la memoria dei nuovi nati

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He Jiankui, lo scienziato cinese che l’anno scorso ha permesso la nascita dei primi bambini Crispr, voleva davvero trovare una risposta al problema dell’hiv o i suoi veri scopi erano altri? È quello che la comunità scientifica si è chiesta fin dal giorno dell’annuncio di He. E il sospetto si è fatto ancora più forte alla luce dei risultati di una ricerca appena pubblicata su Cell che porta nuove prove a sostegno dell’importante ruolo del gene Ccr5 (quello silenziato da He) nel cervello: le persone che ne sono naturalmente prive hanno migliori prestazioni scolastiche e i farmaci che lo spengono permettono a chi ha subito lesioni cerebrali di riprendersi meglio. Insomma, le bambine modificate con la tecnica Crisprpotrebbero avere abilità cognitive superiori alla media.

Ccr5 nel cervello
Che il gene Ccr5, oltre a essere la porta d’ingresso di hiv nelle cellule, avesse un ruolo importante anche nel cervello lo si sapeva fin dal 2016, quando Alcino J. Silva dell’Università della California – Los Angeles (Ucla) e Miou Zhou della Western University of Health Sciences in California dimostrarono che la sua eliminazione nei topi rendeva questi animali più intelligenti, migliorando la plasticità neuronale, l’apprendimento e la memoria.

Il nuovo studio del team di Thomas Carmichael della Ucla non solo conferma quel risultato, ma mostra anche come il silenziamento di Ccr5 con un farmaco già in uso nelle terapie per l’hiv dia benefici nei topi che hanno subito lesioni cerebrali (a seguito di un ictus per esempio): le connessioni cerebrali vengono preservatee anzi aumenta la comunicazione tra diverse aree del cervello.

La ricerca, inoltre, ha preso in esame anche68 persone che per natura hanno il gene Ccr5 inattivo, scoprendo che sono in grado di riprendersi più rapidamente e meglio da un ictus rispetto alla media della popolazione. I dati hanno mostrato che gli individui privi di Ccr5 , se colpiti da ictus, recuperano le capacità di movimento più in fretta e i deficit cognitivi sono più contenuti rispetto a quanto osservato in chi, invece, ha un Ccr5 funzionale.

Anche se le basi biologiche di questo fenomeno non sono note, i ricercatori ipotizzano che Ccr5 nel cervello serva come un segnale di stop, moderando la capacità dei neuroni di ricevere e trattenere i ricordi. Un ruolo importante appena dopo un ictus perché limita l’eccitabilità delle cellule nel tentativo di ridurre i danni. La sua attività, però, diventa controproducente nel periodo di recupero perché, frenando i neuroni, interferisce con la capacità del cervello di costruire nuove connessioni e riparare le lesioni.

Convinti di questa teoria, i ricercatori della Ucla stanno avviando una sperimentazione per somministrare ai pazienti il farmaco per silenziare Ccr5 5-7 giorni dopo l’infarto cerebrale, prolungando la terapia per circa tre mesi. La speranza è che il farmaco, usato in combinazione a un’adeguata terapia riabilitativa, migliori le chance di recuperoanche negli esseri umani.

Un cervello superiore
I farmaci che hanno come bersaglio molecolare Ccr5, dunque, possono costituire una svolta nel processo di recupero da una lesione al cervello. Ma, allargando il campo delle considerazioni, la nuova ricerca dimostra indirettamente che modificare in laboratorio questo gene in fase di sviluppo embrionale potrebbe voler dire creare esseri umani con capacità cognitive superiori. Ci sono dati infatti che supportano la tesi per cui le persone che possiedono almeno una copia inattiva del gene Ccr5 abbiano migliori risultati scolastici e maggiori probabilità di accedere a livelli di istruzione superiori.

Che fosse in realtà questo lo scopo dell’esperimento di He Jiankui e non quello di preservare i bambini dall’infezione da hiv? Non si tratta di complottismo, confida Silva alla rivista Mit Technology Review: in certi ambienti sia cinesi sia statunitensi esiste unmalsano interesse sulla possibilità di progettare bambini super-intelligenti. Lo scienziato cinese (che al momento è sotto inchiesta per il suo operato) ha ammesso di essere sempre stato a conoscenza di un possibile ruolo di Ccr5 nel cervello, ma che al tempo del suo esperimento non c’erano prove sufficienti e – dice – indipendentiperché lo considerasse un impedimento al suo intento.

Che si prenda per buona la versione di He oppure no, rimane una questione: se nemmeno la consapevolezza di non saperne abbastanza costituisce più una limitazione, cosa dovremmo aspettarci dal futuro?





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