Science, 11 Oct 96, Vol. 274, pg. 183 - Random Samples - Lo scorso mese Eugene Podkletnov, un ricercatore dell’università di Tampere in Finlandia ha annunziato di aver realizzato il primo dispositivo di antigravità. Già parecchi anni fa il fisico Ning Li dell’università dell’Alabama aveva presentato alla NASA una teoria secondo la quale ci sarebbero delle connessioni tra gravità ed elettromagnetismo che si potevano mettere in evidenza con i superconduttori. Il dispositivo di Podkletnov è basato infatti su un anello di ceramica superconduttiva rapidamente ruotante e sospeso elettromagneticamente. Quando diverse sostanze vengono sospese sopra l’anello con una bilancia perdono circa il 2% del loro peso. Si spera non si tratti di una nuova “fusione fredda”.
Science, 11 Oct 96, Vol. 274, pg. 202 - Paul Parsons - La teoria speciale della relatività di Einstein prevede che un orologio in moto è più lento di uno in condizioni di quiete e quindi una persona in moto invecchia più lentamente di una che non lo è. Il viaggiatore tornando si trova ad aver fatto un salto in avanti nel tempo. In presenza di gravità e nello spaziotempo curvo si possono trovare dei percorsi esotici nei quali raggiungere velocità arbitrariamente più grandi di quelli della luce. Nel 1994 il fisico Alcubierre propose un modello con un’astronave in una bolla di spaziotempo deformato capace di contrarre lo spazio davanti ed espanderlo dietro. Fra queste due regioni ed all’esterno lo spazio e piatto e la bolla si può muovere senza limitazioni di velocità trascinando l’astronave.
Science, 1 Nov 96, Vol. 274, pg. 718 - James Glanz - Il fenomeno della sonoluminescenza consiste nell’emissione di brevi lampi di luce visibile od ultravioletta dalle piccole bolle di vapore emesse all’interno di un recipiente di acqua riscaldata e sotto l’azione di onde acustiche. La spiegazione di questo fenomeno, e su ciò che produce questi lampi, è piuttosto controversa. La più comune è che le bolle, che si espandono a 50-100 micron di diametro durante la fase di bassa pressione dell’onda sonore, collassano in una frazione di microsecondi nella fase di compressione. L’elevata temperatura prodotta produce i lampi di luce della durata di 50 picosecondi. Le simulazioni al computer indicano che al centro della bolla si raggiungono i 100000 K. Per verificare questo si pensa di riprodurre il fenomeno nell’alcool o in altri solventi dove sciogliere composti i cui spettri hanno dei picchi a queste temperature.
Science, 27 Feb 98, Vol. 279, pg. 1322 - Harold Metcalf - La sonoluminescenza è un misterioso fenomeno nel quale si producono lampi di luce brevissimi durante il collasso catastrofico di bolle di gas sottoposte a onde acustiche; si tratta di una conversione di suono in luce. Benché il fenomeno sia stato osservato circa 60 anni fa, solo nel 1990 la sonoluminescenza è stata prodotta in una singola bolla e nel 1991 comparve uno studio serio nella letteratura. Le misure hanno mostrato che una tipica bolla ha un raggio di equilibrio di circa 5 mm e sottoposta all’onda acustica si espande fino a 40 mm e poi rapidamente collassa a circa 0,8 nm. Il gas enormemente compresso può arrivare ad una temperatura di 5*10E4 K cioè 4 eV abbastanza per produrre la condizione di plasma. Il lampo di luce ha un’energia di 10E-12 J e lo spettro è quello di un corpo nero di 10E5 K, la durata del lampo è di 50 ps e può arrivare a 35 ps. Ciò che rimane misterioso è la forte dipendenza dal tipo di gas e dalla temperatura iniziale dell’acqua.
Science, 9 Oct 98, Vol. 282, pg. 249 - Matt Visser - Molti concetti della fisica di Newton, come l’energia, il momento ed il momento angolare, diventano elusivi nella teoria della relatività generale di Einstein, questo perché spazio e tempo sono dinamici e le grandezze non si possono definire in modo statico. La cosa diventa particolarmente complessa dove la gravità è molto forte in un punto, ma non dovunque come nelle vicinanze di una stella di neutroni. In questo ambiente provare la validità delle leggi di conservazione è estremamente difficile. Recentemente Anthony Rizzi dell’università di Princeton ha fornito una definizione matematicamente corretta del momento angolare nella relatività generale assumendo uno spaziotempo piatto asintoticamente. Massa e momento sono definiti come un vettore quadridimensionale nello spaziotempo piatto. Per il momento angolare ci si basa sul fatto che un corpo rotante genera in campo gravitazionale con un “twist” il cui effetto è misurabile e influenza le caratteristiche dello spaziotempo all’infinito; questo imprinting viene usato per definire il momento angolare.
Science, 18 Dec 98, Vol. 282, pg. 2180 - David Kestenbaum - Duecento anni fa Henry Cavendish misurò la costante di gravitazione universale con una bilancia di torsione; il metodo è rimasto uno dei migliori per questa misura. La costante, detta Big G, è nota però solo con tre cifre decimali mentre ad esempio la carica dell’elettrone è nota con sette cifre decimali. Nelle ultime decine di anni molti fisici si sono dedicati a trovare metodi di misura più accurati per G, ma spesso sono arrivati a valori molto diversi. La forza di gravità è estremamente debole e le apparecchiature di misura devono essere accuratamente isolate da ogni influenza elettrica e sismica e devono essere eseguite nel vuoto. Il valore ufficiale di G scelto nel 1986 è quello delle misure di Gabe Luther del 1982 (circa 6,672*10E-11 m^3/(kg*s^2); il sistema di misura consisteva in una coppia di sfere connesse appese ad una lunga fibra di quarzo o tungsteno che oscillava per torsione nel vuoto, avvicinando due grandi sfere di tungsteno si misurava la variazione nel periodo di oscillazione. L’accuratezza della misura è stata migliore di 1/10000, ma nel 1994 i laboratori degli standard tedeschi (PTB), con una misura che doveva essere altrettanto accurata, arrivarono ad un valore più alto dello 0,5%. Da allora sono state provati molti altri metodi. I fisici dello NIST dell’università del Colorado hanno fatto cadere un peso dentro un pesante cilindro di tungsteno e quindi lo hanno fatto cadere di nuovo alzando il tubo sopra il punto di rilascio; G è stato poi calcolato dalla differenza fra i tempi di caduta. All’università di Zurigo si è pesata invece una piccola massa ponendo delle grandi masse sotto e poi sopra la bilancia; la grande massa era costituita da una vasca piena di acqua. Nell’università di Wuppertal in Germania si sono usati due pendoli vicini e avvicinate dai due lati opposti due masse da mezza tonnellata che attraevano le due masse sospese aumentandone la distanza, questa veniva misurata con un sistema a microonde. Anche un gruppo russo ha eseguito un’altra misura con la tradizionale bilancia di torsione. I valori migliori sono tutti compatibili, ma leggermente più alti di quello di Gabe Luther. Si vanno ora pianificando altre misure.
Science, 2 Apr 99, Vol. 284, pg. 87 - Nigel Goldenfeld - La complessità del mondo contrasta con la semplicità delle leggi fondamentali della fisica. Il mondo si presenta in strutture complesse in un gran numero di varianti ed a livelli diversi; c’è anche un aspetto caotico per il quale non si può prevedere ciò che avverrà, ma ci sono anche delle regolarità che mettono in evidenza delle tendenze naturali. Il mondo è quindi insieme complesso e caotico. Per acquisire la conoscenza di un sistema complesso vi sono tre modi di approccio: sperimentale, con il calcolo e teorico. Il metodo sperimentale è il migliore per una visione completa dei fenomeni perché si possono analizzare nel complesso un gran numero di dati. La simulazione con il computer serve a comprendere particolari aspetti del fenomeno. I modelli devono essere a livello macro adatto a cogliere gli aspetti che interessano. La complessità è dominata da fenomeni dinamici intermittenti con salti di livello la cui ampiezza segue una distribuzione di probabilità esponenziale o gaussiana; i sistemi turbolenti e caotici presentano una distribuzione esponenziale con un’alta probabilità di eventi peggiori. Sistemi strutturati complessi si formano in condizioni di non equilibrio, sono fortemente dissipativi e la loro complessità va crescendo nel tempo; questi sono i sistemi biologici che si autorganizzano in modo critico. La complessità comporta l’insorgere di nuove proprietà secondo il principio di Anderson del “more is different”. Mentre i fisici hanno sempre cercato leggi valide in ogni tempo ed in ogni luogo, lo studio della complessità mostra che in questo campo non ci sono leggi generali.
Science, 23 Jul 99, Vol. 285, pg. 512 - Gary Taubes - La teoria delle stringhe sta provocando una rivoluzione fra i fisici fornendo i mezzi per sviluppare una teoria quantistica della gravità e interpretando la gravità non solamente come curvatura dello spaziotempo, ma anche come vibrazioni meccanico quantistiche di stringhe infinitesimali. Il tutto avviene però in una scala di energie nota come la scala di Planck, 18 ordini di grandezza al di là di quanto possano raggiungere i più potenti acceleratori. A queste dimensioni la forza di gravità e le forze elettrodeboli e forte sono uguali e potenzialmente indistinguibili. La teoria delle stringhe postula che l’universo sia formato da sottili particelle a forma di stringa i cui modi di vibrazione sono alla base delle loro proprietà e delle forze. Il concetto geometrico che è alla base della relatività di Einstein è anche alla base del concetto di stringa; la teoria esiste in uno spazio a 10 o 11 dimensioni delle quali 6 o 7 sono compattate lasciandone 4, le tre dello spazio ed il tempo. Dal 1984, anno in cui la teoria è nata, si sono scritti migliaia di articoli ma, avendo a fondamento la scala di Planck, non esistono previsioni teoriche che possano essere oggetto di esperimenti. Fino al 1995 i teorici erano in grado di studiare solo le interazioni deboli fra stringhe elementari, ma nel 1995 furono scoperte una coppia di equazioni che hanno permesso di capire che cosa succede quando le stringhe interagiscono fortemente; in questo caso si assiste alla formazione di oggetti multidimensionali, membrane, globuli ed altro, detti D-branes da Polchinski. Tra le loro proprietà c’è il fatto che repulsione elettromagnetica ed attrazione gravitazionale si cancellano e le particelle possono accumularsi a formare oggetti massivi senza limiti. Un insieme compattato di D-branes a grande distanza è indistinguibile da un buco nero. Un buco nero realizzato con stringhe può essere descritto come avente una temperatura ed un’entropia e la sua descrizione include le proprietà quanto meccaniche e la gravità. Da questa unione deriva un nuovo concetto importante di olografia dello spazio per cui la descrizione di una certa regione dello spazio tempo, con gravità ed interazioni quantistiche, è equivalente ad una descrizione quanto meccanica della superficie di confine (congettura di Maldacena). Questo fatto risolve uno dei più grandi problemi dei buchi neri che non preservano l’informazione in quanto evaporano come ha dimostrato Stephen Hawking negli anni ‘70. Il fatto di poter descrivere il buco nero sulla sua superficie significa che non c’è perdita di informazione.
Science, 7 Jan 2000, Vol. 287, pg. 49 - Gary Gibbons - Nello scorso anno cosmologi e fisici delle particelle hanno avanzato nuove ed audaci idee nel campo della gravità. In breve il nostro universo tridimensionale in espansione è visto come la superficie di confine di un dominio, detto 3-brane, che si muove in uno spaziotempo con maggior numero di dimensioni. L’idea di uno spaziotempo con dimensioni extra è antica quasi come la teoria della relatività. Nel 1921 Thomas Kaluza scoprì che così si poteva ottenere una descrizione unificata della gravità e dell’elettromagnetismo e nel 1926 Oskar Klein vi incorporò i concetti quanto meccanici identificando la carica elettrica con il momento lungo la quinta dimensione e quindi la conservazione della carica con la conservazione del momento; la carica elettrica era quantizzata perché la quinta dimensione era compattata a formare un cerchio. Queste idee sono state alla base della teoria delle superstringhe; in questa teoria lo spaziotempo ha 10 dimensioni, 9 spaziali ed una per il tempo, sei delle dimensioni spaziali sono compattate a formare sei superfici chiuse di forme diverse dette di Calabi-Yau, ma molto piccole dell’ordine di 10E-33 cm, lunghezza di Planck non accessibile a qualsiasi esperimento. Recentemente però considerando le differenze di scala fra l’unificazione delle forze elettromagnetiche ed elettrodeboli (10E-17 cm) e quella della Grande Unificazione (10E-28 cm) si è avanzata una nuova formulazione, detta Teoria-M, nella quale si aggiunge la 11ma dimensione e questa può portare a predizioni sperimentabili nella nucleosintesi del big bang e di nuove particelle.
Science, 5 May 2000, Vol. 288, pg. 789 - Mark Sincell - Uno strano esperimento ha realizzato ciò che sembra proibito dal secondo principio della termodinamica: il trasferimento di calore da una superficie fredda ad un liquido caldo. L’esperimento è stato condotto sulla stazione spaziale Mir da un team franco-russo. Un recipiente con pareti di rame e zaffiro, che conteneva esafloruro di zolfo liquido con al centro una bolla gassosa dello stesso composto più calda ed il tutto in assenza di gravità, è stato scaldato dall’esterno per produrre una compressione all’interno della bolla di gas. La compressione comporta un aumento di temperatura della bolla e quindi un assorbimento di calore dal liquido circostante più freddo. Il fenomeno è legato al trasferimento di calore per effetto pistone normalmente secondario rispetto alla diffusione ed alla convenzione, ma nell’esperimento la convenzione era annullata dalle condizioni di microgravità mentre, trovandosi gas e liquido dell’esafloruro vicini al punto critico, l’effetto di compressione è molto accentuato. In realtà l’esperimento non contraddice il secondo principio della termodinamica, per prima cosa questo si applica ai cambiamenti di entropia e non a quelli di temperatura, ma soprattutto si applica a sistemi in equilibrio e nella cella dell’esperimento si verifica un fenomeno molto rapido ancora lontano dall’equilibrio, un fenomeno transitorio come un overshoot.
Science, 12 May 2000, Vol. 288, pg. 944 - Charles Seife - I fisici dell’Università di Washington a Seattle hanno fornito la misura più precisa della costante di gravitazione universale nota come “big G”. La forza di gravità è molto debole ed i suoi effetti sono prodotti da grandi masse; nelle misure bastano piccoli disturbi elettrici e magnetici e l’influenza di masse vicine per provocare sostanziali incertezze. La prima misura fu eseguita nel 1700 dal fisico inglese Henry Cavendish con un pendolo a forma di manubrio appeso ad un filo, misurando la torsione prodotta da due masse vicine. La misura fu perfezionata successivamente e nel 1986 il National Institute of Science and Technology (NIST) fissò il valore con un’incertezza di 1,3 parti su 10000, ma subito dopo una misura altrettanto accurata in Germania diede un risultato spostato di 42 errori standard. Nel 1995 i fisici realizzarono che la torsione del filo non era perfettamente elastica ed il valore di G aumentò la sua incertezza da 12 a 15 parti su 10000. A questo punto i fisici di Seattle hanno ideato un sistema di misura che fosse esente da questi difetti montando il pendolo su una tavola rotante che fa un giro ogni 20 minuti. Quando il pendolo risente l’attrazione delle due masse da 8 kg, un sensore laser rileva l’accelerazione e la compensa agendo sul moto della tavola e lasciando la torsione invariata. Anche le due masse dell’attrattore furono poste su un’altra tavola rotante in senso opposto con periodo di 5 minuti e questo mette in evidenza le sollecitazioni esterne come un effetto periodico che può essere pure compensato. Il risultato è stato un valore di G pari a (6,67423 +/- 0,00009) * 10E-11 m^3/(kg*s^2) dieci volte più preciso della vecchia misura.
Science, 9 Nov 2001, Vol. 294, pg. 1265 - Charles Seife - Relatività e meccanica quantistica non si sono mai incontrate, ma ora dei fisici svizzeri hanno collegato le due teorie in un esperimento che fa intervenire il principio di causalità nel mondo microscopico. L’esperimento riguarda la ben nota coppia di particelle legate dalla proprietà di “entanglement” ed aventi polarizzazioni opposte, il cosiddetto problema Einstein-Podolsky-Rosen (EPR). Comunque si trovino le due particelle, anche a milioni di km di distanza, se una delle particelle viene rivelata avere polarizzazione orizzontale, la seconda istantaneamente assume la polarizzazione verticale e questa azione a distanza opera a velocità maggiore della luce anche se è stato dimostrato che non viola la relatività perché non può essere usata per trasmettere messaggi. Ora negli anni ‘90 i fisici svizzeri Antoine Suarez e Valerio Scarani hanno posto un altro problema relativistico riguardo al diverso giudizio sull’ordine degli eventi da parte di due osservatori indipendenti. Questo concetto viene mostrato in modo efficace con il seguente esperimento concettuale: una persona corre con in mano un’asta lunga 15 m ad una velocità di 4/5 quella della luce ed attraversa un tunnel con due porte alle estremità distanti 15 m che si aprono e si chiudono automaticamente al suo passaggio. Per un osservatore fisso rispetto al tunnel l’asta si è contratta a 9 m e quando il corridore entra nel tunnel ambedue le porte si possono chiudere, ma per il corridore è il tunnel che si è ristretto a 9 m e per lui ambedue le porte si mantengono aperte per farlo passare. Allo stesso modo per le particelle entangled se due osservatori sono fra di loro in moto possono non essere d’accordo su quale delle due particelle è stata misurata per prima ed in questo caso trasmettitore e ricevitore si scambiano le parti. L’anno scorso è stato eseguito un esperimento con due particelle entangled su cui si creava una situazione relativisticamente ambigua sulla sequenza delle misure. Poiché sono poi sorte delle opposizioni sulla validità del metodo di misura questo è stato rivisto e la misura ripetuta. Il risultato è che nel mondo quantistico non c’è distinzione fra prima e dopo.
Science, 22 Nov 2002, Vol. 298, pg. 1544 - Charles Seife - I fisici sanno che il big bang ha creato idrogeno ed elio, un poco di litio ed altri atomi leggeri, ma tutti gli altri atomi, il carbonio e l’ossigeno e gli altri elementi di cui sono fatti animali, piante e la stessa Terra, sono stati prodotti nelle stelle; tuttavia i fisici non sanno come le stelle li hanno prodotti. Si spera che una risposta possa essere data da una macchina detta Rare Isotope Accelerator (RIA) da 840 milioni di US$ che farà collidere atomi stabili per creare nuclei rari ed instabili che hanno un ruolo cruciale nella creazione degli elemento pesanti. Studiando questi nuclei instabili, i loro tempi di dimezzamento e la loro capacità di catturare neutroni, gli scienziati ritengono di scoprire come si siano formati gli elementi pesanti. Il carbonio e l’ossigeno e gli altri elementi fino al ferro si formano nelle fornaci stellari per fusione, ma oltre il ferro, che è l’elemento più stabile, tutti gli altri elementi più pesanti non si possono formare per fusione. La fornace stellare produce però in gran copia dei neutroni che vengono catturati dagli atomi prodotti, questi diventano sempre più pesanti ed instabili, decadono e si dividono e convertono neutroni in protoni. La cattura di neutroni e l’accrescimento dei nuclei prosegue in una sequenza che viene chiamata dagli astronomi s-process e si formano circa la metà degli elementi pesanti al di là del ferro. I rimanenti elementi si formano mediante trasformazioni più rapide che i fisici chiamano r-process e richiedono un flusso di neutroni estremamente più intenso che si produce durante la morte della stella, gli atomi non hanno tempo di decadere mentre assorbono un neutrone dopo un altro e, solo alla fine di questo bombardamento, si formano gli ultimi elementi stabili e semistabili come l’uranio. Si è ancora incerti in quali condizioni si verifichi questo enorme flusso di neutroni, una possibilità è la violenta collisione fra due stelle di neutroni, ma è più probabile che sia durante l’esplosione di supernova. Il RIA permetterebbe di misurare le proprietà di elementi molto instabili fra i quali ci sono quelli coinvolti nello r-process. Questi elementi instabili verrebbero generati facendo collidere un fascio di atomi leggeri contro un bersaglio di atomi pesanti come uranio e torio; un altro metodo è quello inverso di proiettare un fascio di elementi pesanti su un bersaglio di elementi leggeri ed analizzarne i frammenti. Per il momento però la realizzazione del RIA non è ancora decisa, il DOE è riluttante e c’è competizione con altre proposte; i sostenitori del RIA sperano su una spinta che potrebbe venire dall’interesse europeo a creare un impianto simile, ma con scopi più ampi, presso lo Heavy Ion Research Center a Darmstadt in Germania.
Science, 8 Aug 2003, Vol. 301, pg. 747 - Charles Seife - Nel fascicolo di luglio di Physics Review il fisico brasiliano George Matsas ha esteso la relatività alla legge di Archimede sugli oggetti immersi che si muovono molto velocemente risolvendo un vecchio paradosso. Il problema era stato posto negli anni ‘80 e riguardava un sommergibile che essendo in perfetto equilibrio con l’acqua non emergeva né affondava. Il paradosso si verifica quando il sommergibile si muove a velocità prossima a quella della luce. Un osservatore esterno constata che la sua massa aumenta mentre le sue dimensioni diminuiscono e quindi, aumentando la sua densità, il sommergibile affonda. Al contrario il comandante del sottomarino vede l’acqua che va incontro al sottomarino a velocità relativistica e deduce che a densità dell’acqua aumenta e quindi il sommergibile dovrebbe emergere. Poiché il sommergibile non può allo stesso tempo affondare ed emergere, uno dei due osservatori è in errore. Matsas ha applicato le equazioni della relatività generale al caso del sottomarino ed ha trovato la soluzione: il sottomarino affonda ed il capitano è in errore. Il galleggiamento dipende della gravità e questa, come le dimensioni, la massa ed il tempo viene influenzata dal moto. Il capitano deve tenere conto dell’aumento di gravità che sovracompensa l’aumento di densità dell’acqua e quindi anche lui concluderà che il sommergibile affonda.
Science, 29 Aug 2003, Vol. 301, pg. 1169 - Adrian Cho - Da tempo i fisici hanno sperato che per un difetto nella teoria speciale della relatività di Einstein si potesse dimostrare che lo spazio ed il tempo in scala microscopica non fossero continui, ma spugnosi. Ora due misure indipendenti su raggi gamma cosmici hanno dimostrato che lo spazio non è spugnoso e che Einstein aveva ragione. Il principio in gioco è quello dell’invarianza di Lorentz secondo cui non ha senso dire che un oggetto è fermo o in moto rispetto all’universo ed una conseguenza è che tutti i fotoni si muovono nello spazio con la stessa velocità indipendentemente dalla loro energia e quindi della loro frequenza. Recentemente molte teorie sulla gravità quantistica partivano dall’ipotesi che l’invarianza di Lorentz non fosse assolutamente valida e che quindi lunghezze d’onda diverse potevano avere piccole differenze di velocità come quando attraversano l’aria o l’acqua ed in questo senso uno spaziotempo spugnoso si sarebbe comportato nello stesso modo. I ricercatori cercavano quindi piccole differenze nella propagazione di fotoni di alta energia provenienti da distanze cosmiche e nel 1998 si suggerì agli astronomi di analizzare i gamma ray burst, prodotti da esplosioni extragalattiche che durano solo secondi, e verificare se le loro componenti arrivano sulla Terra in tempi diversi. I dati potranno essere raccolti dalla NASA con il Gamma Large Area Space Telescope (GLAST), ma già due anni prima del lancio del GLAST gli astronomi osservarono i raggi gamma provenienti dalle galassie Markarian 421 e 501 che si trovano a 450 milioni di anni luce dalla Terra. Questi raggi attraversano una nube di fotoni infrarossi che riempie lo spazio intergalattico. Le radiazioni a più alta energia collidendo con il fotoni infrarossi producono coppie di elettroni e antielettroni che producono poi raggi gamma di una definita energia e se l’invarianza di Lorentz fosse violata queste arriverebbero con tempi diversi. Anche le radiazioni della Crab Nebula, prodotti da elettroni molto energetici che spiralizzano nel campo magnetico di gigantesche nubi di gas, dovrebbero arrivare con velocità diverse invece le velocità stanno entro 10 miliardi di miliardesimi della velocità della luce. Questi risultati invalidano molte delle teorie della gravità quantistica, ma non la teoria delle stringhe e l’alternativa detta della loop quantum gravity perché queste non richiedono la violazione dell’invarianza di Lorentz.
Science, 31 Oct 2003, Vol. 302, pg. 795 - Jonathan L. Feng - Delle quattro forze fondamentali, gravità, elettromagnetismo, e forza debole e forte, la gravità è quella più debole. La ragione di questa debolezza è rimasta enigmatica. Una recente proposta suggerisce che questa debolezza potrebbe essere una prova dell’esistenza di altre dimensioni dello spazio. L’importanza della gravità sta non nella sua forza, ma nella sua universalità; tutti gli oggetti non sono neutri dal punto di vista della gravità e tutti quelli che hanno una massa attraggono, tuttavia la loro interazione è estremamente debole. Per esempio l’attrazione gravitazionale fra due protoni è 35 ordini di grandezza più debole della loro repulsione elettromagnetica e questo vale per ogni distanza di separazione perché ambedue le forze dipendono da 1/r^2. La debolezza osservata tuttavia potrebbe non essere una proprietà intrinseca della gravità, ma un effetto delle altre dimensioni dello spazio basato su semplici considerazioni. Supponiamo che il nostro spazio tridimensionale (3D) sia solo un subspazio di un superspazio e che la gravità si propaga liberamente in tutte le dimensioni mentre la altre forze sono confinate solo alle nostre tre dimensioni. Le extra dimensioni sono però avvolte su se stesse in piccoli cerchi di lunghezza L. Muovendosi in queste extra dimensioni per distanze r<L si dovrebbe trovare una gravità più forte e più vicina a quella dell’elettromagnetismo, ma aumentando r la gravità si ridurrebbe come 1/r^(2+n) dove n è il numero delle dimensioni extra. Questa legge varrebbe fino a r=L, al di sopra le dimensioni extra non avrebbero più importanza e la gravità riprenderebbe la sua semplice dipendenza da 1/r^2, ma su un livello più basso. Non si sa a quale distanza forze elettromagnetiche e gravitazionali assumono lo stesso valore, ma potrebbe essere a 10^-19 m, la distanza a cui si unificano forza debole ed elettromagnetica. A priori la lunghezza delle dimensioni extra L ed il loro numero sono parametri indipendenti ma, se l’uguaglianza fra gravità e forze elettromagnetiche avviene a 10^-19 metri, deve valere la relazione: L=10^((32/n)-19) metri. Si deve sperimentare la gravità a distanze molto brevi, ma fino a 0,1 mm la legge di 1/r^2 della gravità è ancora valida. L’osservazione astrofisica fornisce delle condizioni meno dirette, ma più stringenti per il numero di extra dimensioni. Con due sole extra dimensioni le supernove dovrebbero emettere molta della loro energia in forma gravitazionale, cosa che non è confermata dalle osservazioni. La teoria delle stringhe favorisce un numero più grande di extra dimensioni, 6 o 7, ed in questo caso le deviazioni dalla gravità newtoniana avvengono a distanze troppo basse. Se la gravità fosse forte a distanze di 10^-19 metri potrebbe essere possibile la formazione di piccoli buchi neri nella collisione di particelle ad alta energia quando queste si portano a distanze così vicine da provocare il collasso gravitazionale. Questi piccoli buchi neri ci si aspetta che emettano anche la radiazione di Hawking che porta alla loro evaporazione e questa avverrebbe esplosivamente in un tempo di 10^-27 s. Oggi i collisori di particelle non hanno sufficiente energia per produrre questi buchi neri, ma i raggi cosmici che sono stati osservati hanno energie 100 volte maggiori ed i neutrini di energia ultraelevata che accompagnano i raggi cosmici potrebbero creare buchi neri microscopici; questi eventi però non sono stati osservati. Attualmente si sta intensificando la ricerca sulle extra dimensioni con l’Antarctic Muon and Neutrino Detector Array dentro il ghiaccio antartico su scala di chilometri. Un altro è l’Auger Observatory con rivelatori Cerenkov che coprono un’area di 3000 kmq nel deserto dell’Argentina e che sarà operativo fra 2-3 anni. Con questi progetti si aumenterà la sensibilità per rivelare questi ipotetici microscopici buchi neri. Anche il Large Hadron Collider in costruzione a Ginevra fornirà ulteriori possibilità per questa indagine. Se non si scoprirà nessun effetto anomalo si potrà escludere l’esistenza di extra dimensioni, ma se i risultati saranno positivi, si avrà un nuova visione dello spaziotempo.
Science, 7 May 2004, Vol. 304, pg. 812 - Gabrielle Walker - “Le Grand K” è l’unità di misura della massa, il chilogrammo, custodito a Parigi e qui maneggiato solo tre volte in 120 anni. Da questo sono derivati il “kilogram-18“ dell’UK National Physical Laboratory ed il “kilogram-20” degli USA. L’attenzione con cui questi oggetti devono essere maneggiati crea una vera esasperazione fra i fisici. Mentre le altre unità di misura sono definite da costanti della natura come la velocità della luce e le oscillazioni atomiche, solo il chilogrammo è legato ad un oggetto fisico e rappresenta una macchia nera nella bianca veste dell’intero sistema di misura. I ricercatori hanno cercato di togliere questa macchia da decenni usando approcci diversi, dal contare il numero di atomi in un chilogrammo al convertire la massa in una forza elettrica. Recentemente il metodo della forza elettrica sembra sia arrivato ad una ridefinizione del chilogrammo, ma anche il conteggio degli atomi non è stato abbandonato. Il problema non è solo estetico, al contrario delle costanti fisiche, un campione costruito può cambiare nel tempo. Benché gli standard nazionali come il kilogram-18 siano cambiati molto poco dal campione di Parigi nell’ultimo secolo possono cambiare all’unisono; tutti sono stati costruiti nel decennio 1880 in una Londra molto inquinata e molecole inquinate possono essersi staccate oppure i campioni possono aver acquistato massa perché oggi l’atmosfera contiene più mercurio di 100 anni fa ed il campione che è costruito con una lega contenente platino può assorbire mercurio. Probabilmente queste variazioni sono ancora trascurabili, ma poiché non esiste un modo assoluto per misurarle non si può saperlo con certezza. Ora presso il National Physical Laboratory di Londra si sta mettendo a punto un sistema noto come “Watt balance”, perché basato sull’unità di potenza elettrica, all’interno di un laboratorio santuario ad aria condizionata. Il dispositivo sembra a prima vista una versione sofisticata di un sistema di pesatura con un rigido braccio di alluminio che porta due piatti di bilancia agli estremi, ma il piatto destro è un semplice contrappeso e su quello sinistro viene posto il campione del chilogrammo, copia dell’originale. Una bobina solidale al piatto penetra nel campo magnetico di un magnete permanente ed una corrente viene regolata in modo da compensare esattamente la forza gravitazionale. Si rimuove quindi il campione e si misura la forza del campo magnetico muovendo la bobina nel magnete e misurando la tensione generata, un laser misura il movimento e si misura anche il tempo impiegato. Nell’equazione compare anche forza di gravità misurata con gravimetri. Il legame fra chilogrammo e le altre costanti fondamentali deve essere misurato con una precisione di una parte su 100 milioni che è poco meno di quanto il “Grand K” si pensa sia cambiato nel secolo scorso. In tal modo si sarà ridefinita l’unità di massa in termini di lunghezza, tempo, gravità e costante di Planck. Il sistema dovrà essere estremamente sensibile e gli esperimenti verranno eseguiti di notte per evitare anche vibrazioni esterne. Le misure presso lo U.S. National Institute of Standards and Technology (NIST) del 1998 avevano dato una precisione di una parte su 10 milioni e quelle del National Physical Laboratory (UK) hanno ottenuto alcune parti su 100 milioni. In Svizzera c’è ora un altro prototipo operativo ed un altro sta per essere costruito a Parigi. Anche se tutti si basano sullo stesso principio quelli del NIST e della Svizzera sono fisicamente molto diversi e se i valori ottenuti saranno simili sarà un’indicazione che la tecnica è valida. Ci si aspetta un risultato finale entro pochi anni.
Il sistema rivale della “Watt balance” è quello del conteggio degli atomi che però ha ancora dei seri problemi pur essendo più intuitivo. In principio si tratta di contare il numero di atomi di una massa nota o di accumulare qualcosa come 10E23 atomi. Un metodo usato in Germania è di mandare un fascio di ioni di oro su un collettore e contarli misurando la corrente, ma gli ioni possono rimbalzare dopo aver lasciato la loro carica. Più promettente è il metodo basato sul numero di Avogadro, uguale al numero di atomi in una grammo-molecola, ad esempio il numero di atomi in 12 grammi di carbonio 12, ma anche in questo caso la presenza di isotopi complica il problema. L’approccio più promettente è di realizzare sfere di silicio ultrapuro, ciascuna formata da un singolo cristallo senza vuoti interni. Misurando il diametro delle sfere e la spaziatura fra gli atomi si può determinare il numero degli atomi contenuti. La tecnologia nucleare russa permette di ottenere silicio arricchito al 99,99% di atomi di Si-28 e questo materiale potrebbe essere disponibile nel 2006, ma un kg di questo materiale costerebbe un milione di Euro e non sarebbe un’unità riproducibile, inoltre la superficie del silicio si contamina facilmente. Però anche una sola unità basata sul numero di Avogadro potrebbe essere di confronto con la “Watt balance” per avere almeno due metodi indipendenti nella ridefinizione del chilogrammo.
Science, 14 May 2004, Vol. 304, pg. 951 - Charles Seife - Secondo la tradizione Galileo studiò la gravità lanciando dei pesi dalla torre di Pisa. Oggi i fisici fanno cadere neutroni. Ricercatori tedeschi verificano la legge di gravità con queste piccole particelle su scala microscopica. Fin dal tempo di Newton i fisici sanno che la forza di gravità fra due corpi diminuisce con il quadrato della distanza e questa legge è stata verificata dalle distanze astronomiche fino a frazioni di metro. Recentemente però i teorici hanno suggerito che la gravità potrebbe deviare da questa legge su una scala di distanze più piccola. La presenza di una extra dimensione dello spazio potrebbe modificare la legge a distanze inferiori a quelle di un capello umano. La gravità è molto difficile da misurare a queste distanze a causa della presenza di repulsioni elettrostatiche. All’università di Washington i fisici hanno usato un pendolo estremamente piccolo per dimostrare la legge del quadrato fino a distanze di decimi di millimetro. Ora il fisico Stefan Baessler dell’università di Mainz in Germania ha descritto un esperimento che permette di provare la legge fino a distanze 100000 volte più piccole. Baessler ed i suoi colleghi hanno fatto cadere dei neutroni molto freddi su una superficie e questi quando toccano la superficie rimbalzano come palle da tennis. Poiché il neutrone è una particella quantistica il rimbalzo può avvenire solo per altezze discrete ed esiste un rimbalzo minimo in un campo gravitazionale. Se si trova questo rimbalzo minimo si misura con grande precisione la forza di gravità. Anche una piccola deviazione dalla legge del quadrato renderebbe questa altezza minima diversa da quella attesa. Dalle misure non si sono trovate deviazioni su una scala di distanze nanometriche ed ulteriori perfezionamenti potrebbero rendere il metodo più sensibile.
Science, 29 Oct 2004, Vol. 306, pg. 793 - Charles Seife - Il dibattito sulla possibilità che le costanti fisiche fondamentali possano essere state diverse nel passato si infiammò nel 2001 quando degli astronomi trovarono prove controverse che la costante della struttura fine della materia, un numero relazionato alla velocità della luce, fosse stato più piccolo nel passato. Ora un gruppo di fisici tedeschi ha portato una nuova prova, basata sullo spettro degli atomi dell’itterbio, che la costante della struttura fine non deve essere cambiata sensibilmente. La costante della struttura fine è una combinazione di altre costanti fisiche, inclusa la velocità della luce, che da ai fisici un modo sintetico per descrivere l’intensità della forza elettromagnetica. Nel 2001 un team di scienziati australiani ed americani affermò che la luce delle lontane galassie e dei quasar indicava che miliardi di anni fa la costante della struttura fine era inferiore a quella di adesso. Uno dei membri del team affermò che le ultime osservazioni mostravano uno scostamento di 4 deviazioni standard dal valore attuale, tuttavia ammise che nuovi risultati dal Very Large Telescope (VLT) del Cile erano consistenti con una variazione nulla. Un’altra prova, basata su un antico reattore nucleare trovato nel Gabon, indica che la costante della struttura fine è rimasta invariata o è diminuita in miliardi di anni e non aumentata come indicato dallo studio sui quasar. Ora il team di scienziati tedeschi del Physical Technical Institute di Braunschweig ha descritto un esperimento che usa misure con un ultrasensibile orologio atomico al cesio sulla frequenza di luce che induce una particolare eccitazione in un singolo ione di itterbio. Questa frequenza dipende dall’intensità dell’interazione elettromagnetica fra nuclei atomici ed elettroni e sulla costante della struttura fine. Confrontando la transizione di frequenza dell’itterbio con altre transizioni atomiche di frequenza, il team ha calcolato la costante della struttura fine con 15 cifre significative ed ha ripetuto la misura tre anni dopo senza trovare variazioni. La misura sui quasar è meno precisa, ma calcola l’effetto su un tempo molto lungo nel passato e, se fosse corretta, bisognerebbe concludere che la variazione sia stata più rapida nel passato che adesso. Anche il risultato del VLT indica che o l’esperimento sui quasar è sbagliato o la costante della struttura fine subisce variazioni diverse in parti diverse del cielo. Il problema non è quindi chiuso e c’è da indagare in modo ancora più approfondito.
Science, 26 Nov 2004, Vol. 306, pg. 1460 - Adrian Cho - Venti anni fa un’astrusa scoperta matematica diede avvio alla teoria delle stringhe, ultimo e più avanzato tentativo dell’uomo di trovare una spiegazione definitiva della materia e dell’energia, dello spazio e del tempo. Ora, due decenni dopo, i fisici sono tornati a chiedersi se la teoria delle stringhe può rendere conto di tutto ciò che già conosciamo dell’universo. In un workshop di un mese, dal 15 agosto al 12 settembre, sul tema “Strings and the Real World”, 50 ricercatori hanno discusso se la teoria può mettere d’accordo tutti i dati e fare predizioni su futuri esperimenti. Nel 1984 John Schwarz del Caltech e Michael Green dell’università di Cambridge, UK, attraverso un artificio matematico, trovarono un modo di interpretare ogni particella elementare come una piccola stringa vibrante supponendo che lo spazio avesse più dimensioni di quelle visibili. Si vide in questa teoria la possibilità di una spiegazione di tutte le forze della natura e centinaia di persone iniziarono a lavorare su queste idee. La teoria delle stringhe promette di riconciliare le teorie di Einstein sulla gravità con le strane regole della meccanica quantistica e persino spiegare come l’universo si sia formato. Ora un numero crescente di fisici e matematici cercano di creare connessioni fra la teoria delle stringhe e le osservazioni sperimentali, specialmente nella fisica delle particelle, per dare credibilità alla teoria, ma l’obiettivo rimane inafferrabile ed alcuni teorici dicono che non è ancora pronta per questo tipo di risultati. Lo spazio ha 10 dimensioni e noi ne osserviamo solo quattro, le altre sei sono compattate in sottili stringhe che si arricciano in forme intricate che determinano il loro modo di vibrazione e quindi il tipo di particella che formano. Può sembrare complicato, ma è quello che permette di conciliare la meccanica quantistica con la teoria della gravità di Einstein. Secondo la teoria di Einstein massa ed energia incurvano lo spaziotempo producendo l’effetto che noi chiamiamo gravità. Tuttavia il principio di indeterminazione della meccanica quantistica implica che per dimensioni di spazio e tempo molto piccole lo spaziotempo non rimane continuo, ma si trasforma in una spuma caotica in cui i concetti di prima e dopo e di avanti e dietro perdono significato. Questa spuma quantistica impedisce di concepire matematicamente una particella puntiforme. La teoria delle stringhe supera questo problema perché le stringhe sono abbastanza lunghe da coprire le irregolarità della spuma e con esse la teoria quantistica della gravità è matematicamente ragionevole come i fisici hanno compreso fin dagli anni ’70, ma fu solo dopo Green e Schwarz e la loro “prima rivoluzione delle stringhe” che i fisici hanno compreso che questa teoria era in accordo anche con la fisica delle particelle ed in breve si trovò che le sei dimensioni extra, avvolte in una forma detta variante di Calabi-Yau corrispondevano alle particelle che noi vediamo in natura. Per qualche tempo i ricercatori speravano che ci sarebbe stato un solo modo di ripiegare le dimensioni extra e di conseguenza una sola spiegazione delle forze della natura, ma presto si comprese che c’erano un gran numero di varianti Calabi-Yau. Inoltre l’osservazione diretta delle stringhe richiederebbe collisori milioni di miliardi di volte più energetici di quelli disponibili attualmente. Ora si cerca di riconciliare la teoria delle stringhe con l’attuale comprensione delle particelle elementari basata sul Modello Standard che tiene conto della forza elettromagnetica, della forza forte che tiene uniti i nuclei atomici e della forza debole che provoca certi tipi di decadimento radioattivo; per questo modello materia ed energia sono costituiti da una dozzina di particelle fondamentali come i fotoni per la radiazione ed i quark up e down per protoni e neutroni. Introdurre queste particelle nella teoria delle stringhe non è difficile, ma le difficoltà nascono dalle nuove particelle e fenomeni predetti dalla nuova teoria che gli esperimenti non hanno ancora osservato. Il nuovo grande collisore di particelle LHC (Large Hadron Collider) in costruzione presso il CERN di Ginevra comincerà a raccogliere dati nel 2007 ed i fisici credono che comincerà a produrre le particelle previste dalla teoria della supersimmetria derivata dalla teoria delle stringhe che assume per ogni tipo di particella conosciuta un superpartner più pesante. La scoperta di queste nuove particelle non implicherà però che la teoria sia corretta perché necessaria, ma non sufficiente e se non si trovano potrebbe essere perché la loro massa è più grande di quella prevista. Alcuni teorici speculano sulla possibilità che alcune delle dimensioni extra siano avvolte in modo più lasco in modo da essere rivelate dal nuovo collisore ed allora materia ed energia potrebbero sparire in essi durante la collisione. Nel frattempo altri ricercatori cercano di usare la teoria delle stringhe per spiegare l’espansione accelerata dell’universo. Nel 1998 infatti gli astronomi, studiando le lontane supernove, hanno scoperto che qualcosa sta accelerando l’espansione dell’universo. Potrebbe essere la “costante cosmologica” ipotizzata da Einstein negli anni ’80 e poi abbandonata. Ora l’idea viene ripresa e si cerca di calcolarne il valore con la teoria delle stringhe. La maggior parte dei teorici assume che si tratti dell’energia intrappolata nello spazio vuoto che non è nulla a causa delle particelle che appaiono e scompaiono per il principio di indeterminazione. La teoria base delle stringhe fornisce però valori troppo alti per questa energia, ma per ogni modo di collassare delle dimensioni extra c’è una diversa versione del vuoto. Ci possono essere 10^300 diversi vuoti stabili e non si può fare una predizione univoca. Alcuni ricorrono al principio antropico che afferma che la costante cosmologica debba avere un valore compatibile con la nostra esistenza. La teoria intanto tende a complicarsi. Dieci anni fa c’erano 5 distinti tipi di teorie delle stringhe. Nel 1995 Edward Witten dell’Institute for Advanced Study a Princeton, New Jersey, affermò che tutte sono approssimazioni diverse della M-theory che aggiunge una nuova dimensione alle stringhe facendone membrane bidimensionali o “branes” di tre o più dimensioni. Questa “seconda rivoluzione delle stringhe” unifica in un certo senso gli sforzi dei ricercatori, ma li porta anche lontano dall’obiettivo di un’unica e definita teoria del mondo fisico. Nessuno sa realmente che cosa sia la M-theory e quante altre rivoluzioni delle stringhe saranno necessarie.
Science, 11 Aug 2006, Vol. 313, pg. 750 - Tom Siegfried - I fisici hanno a lungo disprezzato chi ha cercato di spiegare le caratteristiche dell’universo affermando che se fossero state diverse la vita sarebbe stata impossibile. Si affermava che questo principio antropico faceva abbandonare ogni sforzo per trovare le equazioni che specificassero tutte le proprietà dalla natura. Molti preferivano una teoria comprensiva che desse ragione di tutto ciò che presenta l’universo. Stranamente però il candidato favorito per questo scopo, la teoria della superstringhe, ha complicato il problema che si vorrebbe risolvere. La teoria delle stringhe ha rinvigorito i sostenitori del principio antropico portando uno scisma filosofico nella comunità scientifica. La disputa ha toccato toni aspri fra le parti. In gennaio, il fisico premio Nobel Burton Richter della Stanford University di Palo Alto, California, ha pubblicato una lettera in cui si giudica l’approccio antropico sterile ed antiscientifico. Un altro premio Nobel, David Gross dell’istituto Kavli dell’Università di California, Santa Barbara (UCSB), paragona il principio antropico ad una malattia. Dall’altra parte, il fisico Leonard Susskind della Stanford University ritiene che il ragionamento antropico può essere l’ondata della nuova fisica. Susskind è un sostenitore di una nuova visione della realtà detta “panorama delle superstringhe” nel quale l’universo noto è solo un piccolo angolo abitabile di una più grande realtà. Se l’idea del panorama è corretta, la teoria delle stringhe non offre specifiche predizioni sulle proprietà dell’universo ma piuttosto implica l’esistenza di innumerevoli combinazioni di proprietà. Nello scenario del panorama, la vita può esistere solo dove un insieme di proprietà comporta un ambiente ospitale e così questa visione ha incoraggiato molti sostenitori e convertito alcuni scettici. Durante la 14° Conferenza Internazionale sulla Supersimmetria del 12-17 giugno, Richter ha affermato che il principio antropico è un’osservazione e non una spiegazione, il panorama è vuoto e le teorie proposte sono speculazioni teologiche. La visione espressa da Richter e Gross ha dominato la fisica per decenni, ma questo ha cominciato a cambiare intorno al passaggio del nuovo millennio. Negli anni ’80 e ’90 la teoria delle superstringhe veniva vista come la “teoria del tutto” ed offriva la prospettiva di rendere compatibili relatività generale e meccanica quantistica. I sostenitori predicevano che la sua versione finale avrebbe specificato in modo preciso tutte le caratteristiche della natura come soluzione delle sue equazioni.. Nel 2000 però, Joseph Polchinski della UCSB e Raphael Bousso, ora a Berkeley, hanno pubblicato un articolo che poneva il “panorama” nella mappa della teoria delle stringhe mostrando che questa permetteva un enorme numero di condizioni metastabili del vuoto con proprietà fisiche diverse come le masse delle particelle fondamentali e la densità dell’energia del vuoto. Per anni i teorici avevano cercato invano di calcolate la densità dell’energia del vuoto, nota come “dark energy” che porta all’espansione dell’universo, ma i calcoli davano valori troppo alti fino a 10E60 e 10E120. Nella visione panorama, l’energia del vuoto può assumere ogni possibile valore e quindi è un caso che il valore locale possa essere compatibile con l’esistenza della vita. Susskind afferma che il panorama è compatibile con la cosmologia del big bang da quando negli anni ’80 Alan Guth e Andrei Linde hanno sviluppato la teoria dell’inflazione che ha espanso enormemente l’universo appena nato. Se è corretta l’origine inflazionaria, lo stesso processo si è potuto riprodurre creando infinite bolle (bubble) di universo. Linde, il fisico russo Andrei Sakharov ed altri dedussero che il “multiverse” risultante poteva spiegare in modo antropico molti misteri. Ogni bolla potrebbe avere diverse densità di energia del vuoto; grandi energie rendono impossibile la formazione delle galassie e quindi la nostra bolla deve avere un’energia piccola, se non zero, per rendere possibile la vita. Nel 1987 un altro premio Nobel, Steven Weinberg dell’Università del Texas, Austin, osservò che l’energia del vuoto non deve essere zero perché la vita esista, ma solo limitata e, dieci anni dopo, la scoperta dell’accelerazione cosmica lo ha dimostrato. La teoria delle stringhe richiede che esistano 6 o7 dimensioni aggiuntive alle tre della nostra esperienza. Le stringhe unidimensionali vibrano con differenti modi corrispondenti ai diversi tipi di particelle. Possono esistere oggetti a due dimensioni come membrane o altre “branes” a più dimensioni e queste extra dimensioni si ripiegano su se stesse in migliaia di configurazioni che formano nello spaziotempo maniglie e buchi come nelle ciambelle. All’inizio i fisici respinsero queste idee come trucchi matematici senza relazione con la realtà, ma nel 2003 Linde ed altri collaboratori scrissero che nel panorama possono esistere molti tipi di vuoto per un tempo abbastanza lungo per far sviluppare la vita. I critici come Gross dicono che non si tratta di scienza nel senso di fare predizioni che possono essere misurate sempre con maggiore precisione nel futuro. Gross teme che l’infezione antropica possa indurre la gente ad abbandonare la ricerca per trovare altre soluzioni. Sostenitori del panorama respingono queste critiche come di carattere emotivo e sostengono che molti fatti indicano che l’universo è più vasto di quanto possiamo vedere. Non abbiamo ancora prova che la nostra piccola porzione di universo sia rappresentativa del tutto e, se l’universo non è dovunque lo stesso, allora le sue proprietà varieranno da luogo a luogo. Questo non vuol dire che i fisici debbano abbandonare l’obiettivo di fare predizioni misurabili. Le future osservazioni sulle onde gravitazionali del primo universo potrebbero falsificare o verificare le predizioni antropiche sulla natura della curvatura dello spaziotempo. Linde afferma che non si tratta di fantascienza o religione e si può applicare la nostra conoscenza matematica, fisica e cosmologica. Naturalmente è possibile che il concetto di panorama si dimostri sbagliato e l’approfondimento della teoria delle stringhe mostri che spaziotempo e vuoti multipli siano fantasmi. Il destino del panorama è incerto e nuove obiezioni tecniche sono sorte. L’energia del vuoto può essere spiegata in modo naturale senza ragionamenti antropici se l’universo si evolvesse in una successione di espansioni e collassi. Un recente lavoro di Stephen Hawking dell’Università di Cambridge e del suo collaboratore Thomas Hertog del CERN suggerisce che, invece di un multiverso di bolle di spaziotempo, c’è un’alternativa nelle equazioni della meccanica quantistica e solo poche configurazioni del panorama abbiano probabilità di esistenza. Allo stato delle nostre conoscenze, sono prematuri gli sforzi di confermare o confutare le implicazioni antropiche del panorama, ma l’idea che l’universo noto sia solo una piccola parte di qualcosa di molto più grande non è una novità nella storia della scienza e della cosmologia. Basta pensare all’evoluzione dalla rivoluzione copernicana quando l’universo era solo il nostro sistema solare, fino alla scoperta della galassia che poi nel XX secolo divenne solo una dei miliardi di galassie. La storia può ripetersi con il panorama ed il multiverso.
Science, 2 Mar 2007, Vol. 315, pg. 1224 - Owen B. Toon - Il mondo non è più seriamente minacciato da una guerra nucleare globale, ma continuano i conflitti regionali. In quest’ambito l’acquisizione di armi nucleari è considerata una potente minaccia politica, militare e sociale. Il possesso nazionale di armi nucleari viene percepito come un prestigio internazionale ed un’assicurazione contro un’aggressione con uno sforzo finanziario modesto. Si conoscono 8 nazioni che possiedono armi nucleari. In aggiunta la Corea del Nord potrebbe avere un piccolo arsenale che sarebbe in crescita. L’Iran sta acquisendo la capacità di costruire armi nucleari, ma probabilmente avrà bisogno di diversi anni per produrre sufficiente materiale fissile. Vi sono altre 32 nazioni, incluse Brasile, Argentina, Giappone, Sud Corea e Taiwan che hanno sufficiente materiale fissile per produrre armi. In realtà in Asia c’è una competizione fra Cina, India e Pakistan a cui si potranno aggiungere Nord Corea, Sud Corea, Taiwan e Giappone. Nel Medio Oriente c’è il pericolo di un confronto nucleare fra Israele ed Iran; Arabia Saudita e l’Egitto potrebbero anche aspirare ad armi nucleari per bilanciare Iran ed Israele. In Sud America i programmi per le armi nucleari si Brasile ed Argentina sono cessati con la stipula di diversi trattati negli anni ’90. Arsenali nucleari con 50 o più armi di bassa potenza (15 kiloton come la bomba di Hiroshima) sono relativamente facili da ottenere e questo è probabilmente l’arsenale di India e Pakistan. Vi sono molti fattori, politici, economici e sociali che possono suscitare conflitti nucleari su scala regionale. Si può considerare un conflitto che provochi lo scambio di 100 bombe nucleari da 15 kt, cioè lo 0,3% del numero totale di bombe esistenti. India e Pakistan che hanno provato armi nucleari si pensa abbiano fra 109 e 172 bombe di potenza sconosciuta ed un conflitto fra di loro potrebbe provocare 2,1 milioni di morti, la metà circa delle perdite della seconda guerra mondiale. La maggior parte delle perdite si avrebbe per l’effetto diretto della radiazione termica e dell’onda d’urto nucleare e per le radiazioni gamma e di neutroni entro i primi minuti dell’esplosione. Se circa 100 piccole bombe nucleari venissero fatte scoppiare nelle città, si produrrebbero da 1 a 5 tonnellate di fumi carbonacei che oscurerebbero il cielo più di una delle maggiori eruzioni vulcaniche come quelle del monte Pinatubo o di Tambora. Le particelle di fumo trasportate dal vento persisterebbero nell’alta atmosfera per decenni con effetti indiretti sulla temperatura e sulle precipitazioni. Si degraderebbe la produttività dell’agricoltura con carestie in Africa, India e Giappone e le conseguenti perdite di vite umane sarebbero molto maggiori di quelle dirette. I Trattati di non Proliferazione delle Armi Nucleari hanno fallito lo scopo di prevenire l’espansione degli stati nucleari ed il deterrente di assicurare una mutua distruzione non è più efficace in presenza di numerosi stati nucleari con scopi politici e filosofie diverse. Questi stati inoltre possono non avere sviluppato sistemi di sicurezza sufficienti a prevenire accidenti o lanci non autorizzati. Il mondo si trova ad un punto critico: ha superato la minaccia di una guerra nucleare globale fra due superpotenze ma è sempre più minacciato dalla prospettiva di guerre nucleari regionali. Le conseguenze possono essere ampie oltre ogni aspettativa e portare ad una catastrofe globale.
Science, 20 Apr 2007, Vol. 316, pg. 354 - Mark Anderson - Una nuova proprietà dello spin nell’orologio atomico potrebbe portare ad una più precisa misura delle costanti fisiche fondamentali capace di provare alcuni aspetti delle “teorie del tutto”. Quattro fisici della Pennsylvania State University hanno costruito il prototipo di un “quantum scattering interferometer” capace di registrare differenze di massa ed altre proprietà degli atomi con una sensibilità estrema. L’esperimento descritto questa settimana nella rivista Nature potrebbe permettere la realizzazione di un orologio atomico per lo studio di stati esotici della materia come il condensato Bose-Einstein ed i gas degenerati di Fermi. I ricercatori sono partiti raffreddando due nubi di atomi di cesio ad una frazione di microgradi sopra lo zero assoluto. Una delle nubi è stata portata al suo più basso grado di energia (detto stato base) e messa in una camera dove delle microonde hanno eccitato gli atomi in uno stato detto di sovrapposizione quantistica nel quale gli elettroni esterni in ciascun atomo hanno gli spin che puntano sopra e sotto allo stesso tempo. Uno di questi stati di spin ha un’energia un po’ più alta dell’altro. Si ricorda che in un orologio atomico al cesio, quando gli atomi passano fra due stati iperfini forniscono lo standard di frequenza per determinare la durata del secondo. Nell’esperimento i ricercatori hanno portato le due nubi di cesio a collidere ed interferire mettendo in evidenza il ritardo di fase fra i due stati in una camera a microonde dove degli impulsi laser li selezionano. In futuro gli scienziati sperano di realizzare esperimenti più accurati usando campi magnetici per costringere gli atomi in legami di breve durata detti risonanze di Feshbach che assomigliano a legami molecolari. Le risonanze potrebbero permettere ai fisici di ottenere orologi atomici accurati per la misura delle costanti fisiche fondamentali come il rapporto fra massa dell’elettrone e massa del protone. Alcune versioni della teoria delle stringhe e delle teorie della grande unificazione predicono che queste costanti variano lentamente nel tempo. Una versione ultrasensibile del quantum scattering interferometer potrebbe essere capace di misurare questa variazione nello spazio di pochi anni.
Science, 14 Dec 2007, Vol. 318, pg. 1710 - Adrian Cho - Pochi anni fa i fisici sono riusciti a fermare la luce, utilizzano una strana interazione quanto-meccanica fra la radiazione e gli atomi di un gas, convertendola in un sistema di atomi ruotanti. Ora un rapporto di tre fisici americani illustra un sistema più semplice per rallentare la luce in una fibra ottica, convertendola prima in vibrazioni acustiche e quindi di nuovo in luce. Questo ha un enorme vantaggio di semplicità anche se non permette altre operazioni, possibili con la tecnica precedente. Per immagazzinare un impulso di luce laser in una nube di atomi, i ricercatori hanno eccitato gli atomi con un secondo fascio laser. La sovrapposizione dei due campi interagisce con gli atomi in modo da ridurre drasticamente la velocità della luce ed inoltre mette ciascun atomo in una condizione quanto-meccanica con spin su due direzioni allo stesso tempo. Questo insieme di spin varia da punto a punto nella nube e congela l’impulso appena il laser viene spento fermandolo fino al momento in cui viene di nuovo acceso. Altri hanno anche provato anche ad immagazzinare la luce dentro risonatori ottici per una frazione di nanosecondi. Il modo alternativo è stato proposto da Zhaoming Zhu e Daniel Gauthier della Duke University, North Carolina, e da Robert Boyd dell’università di Rochester, New York, inviando un codice di impulsi all’ingresso di una fibra ottica ed applicando all’altra estremità un intenso impulso laser di “scrittura”. Quando i due segnali collidono sono sostituiti da una vibrazione che ha nella fibra una velocità 1/40000 di quella della luce. Per riconvertire di nuovo in luce il codice, i ricercatori hanno inviato un secondo impulso laser di “lettura” come il primo. Per rendere efficiente la conversione il team ha regolato la frequenza del laser di lettura ad un valore più basso di quello dei dati, in modo da differire per la frequenza di vibrazione permessa nella fibra. Il team ha mostrato che un treno di tre impulsi da 2 nanosecondi può essere immagazzinato per 12 nanosecondi. La tecnica funziona per tutte le frequenza che passano nella fibra, mentre la tecnica che usa la nube di atomi o quella dei risonatori, funziona per una sola frequenza. La conversione inoltre non dipende da fenomeni quantistici ed è più sicura, anche se non permette certe raffinatezze, come ad esempio la possibilità di trasferire l’impulso, codificato nella nube di atomi, in un’altra nube trasferendovi alcuni atomi della prima. Il sistema che sfrutta la fibra ottica può avere applicazioni come memoria in un calcolatore quantistico, ma si deve aumentare il tempo di memoria e ridurre la potenza richiesta dagli impulsi di scrittura e lettura che ora arriva a 100 W.