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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

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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.

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

Fisica

Nespoli docente di Biologia Spaziale per formare i futuri biomedici dello spazio

Il ciclo di lezioni, realizzato in collaborazione con l’Agenzia Spaziale Europea (Esa), spazierà dagli effetti del volo spaziale sul microbioma intestinale fino all’ibernazione come possibile contromisura alla durata della missione.

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L’astronauta Paolo Nespoli tra i docenti salirà in cattedra alla Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, per tenere il primo corso di Biologia spaziale mai organizzato in Italia.
Il ciclo di lezioni, realizzato in collaborazione con l’Agenzia Spaziale Europea (Esa),punta a preparare nuovi esperti di biomedicina spaziale che lavoreranno alle future missioni umane di lunga durata, sviluppando tecnologie che possano aiutare la nostra salute anche sulla Terra.

Per avviare la colonizzazione umana dello spazio è necessario capire come contrastare gli effetti dannosi dei fattori ambientali avversi che accompagnano il volo dell’uomo nello spazio, come le radiazioni cosmiche e le differenze nei cicli tra luce e buio. Per questo la ricerca biomedica di base avrà un ruolo sempre più importante nello sviluppo di ambienti artificiali in cui gli esploratori spaziali potranno trovare risposte alle loro esigenze vitali e operative.

Affrontare questa enorme sfida ha già fruttato importanti innovazioni tecnologiche e biomediche che ci accompagnano nel quotidiano terrestre, migliorando la nostra vita e la nostra sicurezza: la sfida forse più importante sarà accettare che questo balzo in avanti tecnologico e scientifico non potrà essere che un’impresa collettiva e transnazionale“, afferma Debora Angeloni, responsabile scientifica del corso e ricercatrice in Biologia della Scuola Superiore Sant’Anna, che questo pomeriggio terrà la prima lezione sugli effetti scatenati dalla microgravità sulle cellule.

Il primo ciclo di cinque lezioni, che martedì 26 febbraio avrà come guest star Paolo Nespoli, sarà seguito da un secondo corso di approfondimento, articolato in dieci lezioni di tipo seminariale: gli argomenti, dagli effetti del volo spaziale sul microbioma intestinale e dalla protezione di vista e ossa, fino all’ibernazione come possibile contromisura alla durata della missione, saranno trattati da specialisti di levatura internazionale.





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Fisica

I satelliti capricciosi che confermano la teoria di Einstein

Il parziale fallimento del lancio di due satelliti della costellazione Galileo, il sistema spaziale europeo di navigazione, è servito a confermare la validità della relatività generale. Collocati per errore in orbite inutili per la navigazione, i due satelliti sono stati usati per effettuare un nuovo esperimento fisico destinato a mettere nuovamente alla prova la teoria di Einstein

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Nell’agosto 2014 un razzo ha lanciato il quinto e sesto satellite del sistema di navigazione globale Galileo, la risposta da 11 miliardi di dollari dell’Unione Europea al GPS degli Stati Uniti. Ma i festeggiamenti si sono trasformati in delusione quando è apparso chiaro che i satelliti erano stati lasciati alle “fermate” cosmiche sbagliate. Invece di essere collocati in orbite circolari ad altitudini stabili, erano rimasti bloccati in orbite ellittiche, inutili per la navigazione.

L’incidente, tuttavia, ha offerto una rara opportunità per un esperimento fisico fondamentale. Due gruppi di ricerca indipendenti – uno guidato da Pacôme Delva dell’Osservatorio di Parigi, in Francia, l’altro da Sven Herrmann dell’Università di Brema, in Germania – hanno monitorato i satelliti alla ricerca di “buchi” nella teoria generale della relatività di Einstein.

“La relatività generale continua a essere la descrizione più accurata della gravità, e finora ha resistito a un gran numero di test sperimentali e osservazionali”, dice Eric Poisson, fisico all’Università di Guelph, in Ontario, che non è stato coinvolto nelle nuove ricerche. Tuttavia, i fisici non sono stati in grado di fondere la relatività generale con le leggi della meccanica quantistica, che spiegano il comportamento dell’energia e della materia a scala molto piccola. “Questa è una ragione per sospettare che la gravità non sia ciò che ha descritto Einstein”, dice Poisson. “Probabilmente è una buona approssimazione, ma c’è dell’altro.”

La teoria di Einstein prevede che il tempo passi più lentamente vicino a un oggetto massiccio, e quindi un orologio sulla superficie terrestre dovrebbe ticchettare più lentamente rispetto a uno su un satellite in orbita. Questa

dilatazione temporale è nota come redshift gravitazionale. Qualsiasi sottile deviazione da questo modello potrebbe fornire ai fisici indizi per una nuova teoria che unifichi gravità e fisica quantistica.

I due satelliti Galileo, malgrado fossero poi stati spinti su orbite più vicine a quelle circolari, stavano ancora “salendo e scendendo” di circa 8500 chilometri due volte al giorno. I team di Delva e Herrmann hanno osservato per tre anni in che modo le variazioni di gravità che derivavano da questi spostamenti alteravano la frequenza degli orologi atomici superprecisi a bordo dei satelliti.

In un precedente test sul redshift gravitazionale – condotto nel 1976, quando il razzo suborbitale Gravity Probe-A fu lanciato nello spazio con un orologio atomico a bordo – i ricercatori avevano osservato che la relatività generale prediceva lo spostamento di frequenza dell’orologio con un’incertezza di 1,4 × 10 alla -4.

I nuovi studi, pubblicati lo scorso dicembre sulle “Physical Review Letters” (1, 2), hanno nuovamente verificato la previsione di Einstein e aumentato la precisione di un fattore 5,6. Così, per ora, la teoria centenaria continua a regnare.

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(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su “Scientific American” l’8 febbraio 2019





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Fisica

Un modello globale per le precipitazioni estreme

Piogge estreme in regioni del globo molto distanti tra loro possono avere un’origine comune. La scoperta di questo fenomeno e di un meccanismo che spiega il collegamento regolare di questi eventi di precipitazioni piovose permetterà di migliorare i modelli sia meteorologici sia climatici globali

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La Senna fuori dagli argini in seguito a piogge estreme. (© agefotostock / AGF)

Precipitazioni estreme che si verificano in regioni molto distanti del globo sono collegate fra loro secondo schemi specifici. Per esempio, precipitazioni estreme in Europa possono precedere di circa cinque giorni lo stesso fenomeno in India, senza che si verifichino fenomeni analoghi nelle regioni intermedie.

Questo non significa, osservano gli autori dello studio, che le piogge in Europa causino la pioggia in Pakistan e India, ma che fanno parte di uno stesso schema di circolazione atmosferica in cui le piogge europee sono innescate per prime.

La scoperta dell’esistenza di modelli globali su larga scala per eventi di precipitazioni estreme, pubblicata su “Nature”, permetterà di testare e migliorare i modelli meteorologici e climatici globali, portando a previsioni più accurate.

Niklas Boers, del Potsdam Institute for Climate Impact Research, e colleghi hanno scomposto il globo in un numero elevato di”spicchi”, e su questa griglia hanno riportato le informazioni relative alle precipitazioni estreme, basandosi sui dati satellitari ad alta risoluzione dal 1998 in poi. Infine, i ricercatori hanno calcolato quanto ciascuno spicchio fosse in sincronia o sfalsato rispetto agli altri, rilevando per esempio che gli eventi estremi nei monsoni estivi dell’Asia meridionale sono in media legati a eventi nelle regioni dell’Asia orientale, dell’Africa, dell’Europa e del Nord America.

precipitazioni estreme

Le linee rosse che partono dal nord dell’India mostrano modelli meteo locali, mentre le linee blu mostrano modelli globali che collegano eventi di precipitazioni estreme. In particolare, le strutture blu sopra l’Europa indicano che le precipitazioni estreme nell’India settentrionale possono essere previste da eventi precedenti in Europa. (Cortesia Boers et al. 2019)

Successivamente, combinando questi dati con le conoscenze sui movimenti dell’atmosfera, gli scienziati hanno individuato un possibile meccanismo in grado di spiegare le associazioni regolari rilevate. Queste regolarità sembrano essere prodotte dalle cosiddette onde di Rossby, movimenti impetuosi di grandi masse d’aria grandi che si spostano come correnti a getto sotto  forma di onde di enorme lunghezza d’onda (anche di 1500 chilometri), indotte dal movimento di rotazione terrestre.

La mia speranza – ha detto Boers – è che i nostri risultati aiutino a prevedere le precipitazioni estreme e le relative inondazioni e frane soprattutto nelle aree tropicali, come il nord-est del Pakistan, il nord dell’India e in Nepal. Negli ultimi anni ci sono stati diversi eventi di questo tipo, con conseguenze devastanti, come l’alluvione del 2010 in Pakistan”.





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