L’orbita delle stelle: Einstein aveva ragione
22 Aprile 2020
Einstein aveva ragione e la Teoria della Relatività continua a predire risultati esatti a più di cento anni dalla sua formulazione.
C’è una stella, chiamata S2, che si trova in prossimità del centro della Via Lattea. Studiata da 27 anni, S2 ruota attorno a un punto “vuoto” dello spazio chiamato Sagittarius A*, che si ritiene sia il buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia.
Le ultime osservazioni condotte nel deserto del Cile presso il Very Large Telescope, l’osservatorio astronomico finanziato dall’Organizzazione europea per la ricerca astronomica nell’emisfero australe, hanno rilevato che S2 non ruota seguendo un’orbita ellittica, come previsto dalla legge gravitazionale di Newton, ma esegue una precessione attorno al buco nero, percorrendo un’orbita a rosetta, come predetto dalle leggi della Teoria della Relatività.
Il moto di precessione è analogo a quello compiuto da Mercurio attorno al Sole.
Secondo le teorie moderne, al centro di ogni galassia si trova un buco nero supermassiccio. Nell’immagine che segue, vedete S2 che ruota attorno a qualcosa che non si vede. Per dare un’idea di quanto veloce stia andando, il righello in alto a destra (10 giorni luce) equivale a 259 miliardi di chilometri. Dai calcoli dell’orbita si è stimato che l’oggetto misterioso attorno al quale S2 sta girando ha una massa pari a 3,7 milioni di Soli. Secondo le teorie moderne un oggetto così grande che non emette radiazione può essere solo un buco nero.
Non è la prima volta che S2 viene utilizzata come campione per testare le previsioni della Relatività. Due anni fa le misure effettuate attraverso tecniche di spettrometria a infrarossi, interferometria e ottica adattiva rilevarono il redshift gravitazione delle onde elettromagnetiche provenienti dalla stella.
(Credit: NASA/Goddard/Wade Sisler)La teoria del tutto
18 Aprile 2016
I fisici sono spesso spinti dalla convinzione che la natura sia regolata da un sistema di leggi completo e coerente, in grado di spiegare tutti i fenomeni naturali: è la cosiddetta Teoria del tutto. Ma esiste davvero? Ne discutiamo oggi.
Nel frattempo SpaceX ce l’ha fatta: è riuscita a far atterrare verticalmente il Falcon 9 su una chiatta nell’oceano. Robe da matti.
Le newsletter sono caricate sul mio sito e su medium con qualche giorno di ritardo. Per chi vuole qualche curiosità e approfondimento in più, Space break ha anche una pagina facebook e un account twitter. Per scrivermi la mail è spacebreak [at] francescobussola.it
Di cosa parliamo oggi
– la gravità fa di testa sua
– la Teoria del tutto
– pillole della settimana
La gravità fa di testa sua
Le due grandi teorie fisiche utilizzate oggi per studiare la natura – la Meccanica quantistica e la Teoria della Relatività – non vanno molto d’accordo. Una spiega molto bene i fenomeni microscopici, il comportamento delle particelle, i legami chimici e la struttura della materia. L’altra descrive la dinamica e la meccanica dei corpi, anche per grandi masse e grandi velocità: ci permette di mandare satelliti in orbita, studiare l’universo e regolare orologi e gps. Dove però funziona una teoria, l’altra fallisce.
Negli anni è stata sviluppata una teoria, chiamata Teoria quantistica dei campi (Quantum field theory), che è riuscita a unificare la Meccanica quantistica con la Teoria della Relatività Speciale. Un’unificazione è sempre un grande risultato: avere una sola teoria per spiegare alcuni fenomeni naturali, anziché dover ricorrere a più modelli, semplifica i problemi concettuali ed evita di farsi domande come “perché dovremmo usare questo modello anziché l’altro?”. La Teoria quantistica dei campi ha ottenuto ottimi risultati ed è la teoria su cui si basano gli esperimenti del CERN, dove è usata per studiare i comportamenti quantistici delle particelle elementari a velocità relativistiche – ossia a velocità prossime a quelle della luce. L’unificazione però funziona con la Relatività Speciale, quella parte della Relatività che non si occupa della gravità. Al CERN infatti non si tiene conto dell’effetto della gravità della Terra, o del Sole o della Luna: sono forze troppo piccole per disturbare gli esperimenti.
Non abbiamo però una teoria che unifichi la Meccanica quantistica con la Teoria della Relatività Generale, ossia non abbiamo una teoria che descriva i comportamenti quantistici della natura in presenza di gravità. È chiaro che se vogliamo studiare l’universo non possiamo dimenticarci completamente della gravità. Ci piacerebbe inoltre sapere se la gravità stessa abbia un comportamento quantistico come le altre tre forze della natura. I fisici credono di sì.
Una legge per domarli
Una teoria in grado di unificare la Relatività e la Meccanica quantistica sarebbe quella che i fisici chiamano una Teoria del tutto, perché sarebbe potenzialmente in grado di spiegare tutti i fenomeni fisici, collegandoli insieme in maniera organica e coerente. Pensateci, non sarebbe bello che tutti i fenomeni fisici fossero spiegabili da un’unica elegante formula? O che le quattro forze della natura fossero diverse manifestazioni di un’unica forza, di cui ancora non conosciamo le caratteristiche?
La credenza che l’universo sia regolato da un’unica legge elegante ha ben poco di scientifico. È una pretesa bella e buona, un atto di fede, quasi. Tuttavia questa convinzione è stato lo stimolo principale dei fisici da quando si scoprì che l’elettricità e il magnetismo non erano fenomeni distinti, ma manifestazioni dello stessa forza naturale – la forza elettromagnetica – ed erano spiegabili da quattro semplici ed eleganti formule – le equazioni di Maxwell.
Le teoria del tutto
Ma esiste una Teoria del tutto? No, non ancora. Ci sono però alcune teorie che si sono candidate ad esserlo. La candidata più famosa è la Teoria delle stringhe. La Teoria delle stringhe – ne parleremo con più calma, un giorno – riesce a descrivere il Modello standard delle particelle, includendo la Relatività Generale. Sostiene che l’universo abbia 10 o 11 dimensioni – anziché 4.- e che le particelle siano composte da strutture unidimensionali in vibrazione – le stringhe. Ogni stringa potrebbe vibrare in modi diversi, dando origine a diversi tipi di particelle.
Purtroppo però la Teoria delle stringhe, dopo più di cinquant’anni dalla sua prima formulazione, non ha portato grandi risultati e alcune delle sue importanti predizioni continuano a non essere confermate dagli esperimenti. Inoltre alcune suoi aspetti, come l’esistenza stessa delle stringhe, non sono verificabili né falsificabili, cioè non possono essere testati con degli esperimenti.
Esistono comunque altre teorie, oltre alla Teoria delle stringhe, che potrebbero candidarsi a Teoria del tutto. La più nota è la cosiddetta Gravità quantistica a loop (Loop Quantum Gravity). Una delle caratteristiche principali di questa teoria è che prevede che lo spazio sia discreto, anziché continuo. Ricordate il lenzuolo che descriveva lo spaziotempo di Einstein? Anziché essere una superficie continua potrebbe essere una specie di rete intrecciata di piccoli oggetti chiamati “loop”. È però una teoria piuttosto giovane, ancora in fase di sviluppo ed è presto per dare un giudizio.
Un giorno magari parleremo più in dettaglio di queste teorie, ricordandoci però che, a differenza della Meccanica quantistica e della Relatività, non sono confermate dagli esperimenti.
Pillole della settimana
Alcune notizie di questi giorni, brevi.
SpaceX, che gran cosa
Dopo vari tentativi SpaceX, la compagna spaziale di Elon Musk, è riuscita a far atterrare il suo lanciatore Falcon 9 su una chiatta nell’oceano. Il Falcon è stato utilizzato per portare in orbita la capsula Dragon CRS-8, con un carico destinato alla ISS e avrebbe avuto carburante sufficiente per tornare sulla terraferma, ma SpaceX ha preferito tentare nuovamente l’atterraggio su chiatta. Comunque sia, oggi dobbiamo solo goderci questo video: è fantascienza che diventa realtà.
BEAM
Il lancio del Falcon era molto atteso anche per il carico che portava con sé. La capsula Dragon CRS-8 conteneva infatti un nuovo modulo abitativo per la ISS, chiamato BEAM (Bigelow Expandable Activity Module). BEAM è un modulo gonfiabile e dunque più leggero e meno ingombrante di quelli rigidi. L’installazione del modulo BEAM – nel video qui sotto vedete una simulazione – sarà effettuata sabato 16 aprile 2016 e sarà visibile in streaming a questo link dalle ore 11.30.
Kepler
Kepler è un telescopio spaziale il cui scopo è la ricerca di pianeti simili alla Terra. Il 7 Aprile è stato scoperto che Kepler si trovava da circa 36 ore in modalità di emergenza, una modalità a bassa operatività, ma a grande consumo di carburante. Lunedì 11 la NASA ha però annunciato che Kepler è uscito dalla modalità di emergenza. Gli ingegneri stanno ora analizzando i dati del telescopio per capire cosa abbia causato il malfunzionamento.
Vele solari
Il fisico (e milionario) Yuri Milner ha presentato un progetto per raggiungere il sistema stellare Alpha Centauri in 20 anni. Il progetto, chiamato Breakthrough Starshot, prevede l’utilizzo di una piccola sonda lanciata al 20% della velocità della luce, utilizzando una vela solare. Non mi dilungo. Trovate un’ottima spiegazione qua.
Domande?
Per suggerimenti e domande scrivete a spacebreak [at] francescobussola.it
Se vi fa piacere potete far conoscere la newsletter a un amico inoltrandola o suggerendogli di iscriversi.
Per approfondire
– la Teoria delle strighe, spiegata in due minuti
– il modulo BEAM e la storia dei moduli gonfiabili
– il lancio di SpaceX, nel dettaglio
La radiazione di Hawking e il quantum spin liquid
10 Aprile 2016
Perché Hawking è così famoso? Per la sua vita straordinaria, certo, ma anche per aver derivato uno dei più importanti risultati della fisica moderna: la radiazione di Hawking. C’entrano i buchi neri e la Meccanica quantistica.
Per chi volesse leggere le vecchie newsletter, le trova tutte sul mio sito o su medium. Space break ha anche una pagina facebook e un account twitter, dove pubblico di tanto in tanto curiosità e approfondimenti.
Di cosa parliamo oggi
– chi è Stephen Hawking
– la radiazione di Hawking
– pillole della settimana
Chi è Stephen Hawking
Stephen Hawking è un fisico britannico. Nato nel 1942, da quando ha 21 anni è affetto da SLA, una malattia neurodegenerativa. A Hawking vennero dati due anni di vita. La vita media di una persona affetta da SLA è tra i due e i cinque anni e meno del 5% dei malati sopravvive per più vent’anni. Hawking oggi ha 74 anni ed è sopravvissuto per così a lungo che la sua malattia sembra essersi stabilizzata. Pur non riuscendo a muovere il suo corpo atrofizzato e dovendo comunicare attraverso un sintetizzatore vocale, ha una mente ancora particolarmente brillante. Discute di scienza e religione e continua a fare divulgazione scientifica e ricerca di buona qualità. Il suoi risultati più importanti sono stati raggiunti negli anni ’70. Nel 1971 ha contribuito a dimostrare il cosiddetto “No-hair theorem”, un teorema matematico che riguarda i buchi neri e le loro proprietà fisiche. Nel 1974 ha teorizzato l’esistenza di una radiazione termica proveniente dai buchi neri: la radiazione di Hawking. Ne parliamo oggi.
I buchi neri, in tre righe
I buchi neri sono oggetti celesti con una grande massa che riescono ad attirare ed intrappolare ogni cosa, compresa la radiazione elettromagnetica. Insomma, mangiano tutto. Siccome anche la luce non riesce a uscire, non li vediamo brillare. Sono neri, appunto.
La radiazione di Hawking
Nonostante dal punto di vista classico, ossia secondo la Teoria della Relatività Generale, nulla può uscire da un buco nero, Hawking ha dimostrato che gli effetti quantistici permettono ai buchi neri di emettere una radiazione. In sostanza si tratta di una radiazione termica che si comporta come se fosse emessa da un corpo nero a una certa temperatura.
Cos’è un corpo nero
Un corpo nero in fisica è quello che dice di essere: un corpo completamente nero che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica che lo colpisce, senza rifletterla. Riesce però a emettere una radiazione termica, che dipende dalla sua temperatura. Un corpo nero è considerato solitamente un oggetto ideale, perché ci si aspetta che un qualsiasi materiale rifletta un po’ di luce, ma è un utile modello che viene spesso usato quando si studiano i fenomeni elettromagnetici.
Che c’entra con i buchi neri
Ecco, Hawking ha dimostrato che i buchi neri, che non sono un materiale ma degli oggetti celesti, si comportano come un corpo nero: nonostante “mangino tutto”, compresa la radiazione elettromagnetica, riescono a emettere una radiazione termica, come se questa fosse emessa da un corpo nero ad una certa temperatura. In questo caso la temperatura dipende dalla massa del buco nero.
Questa radiazione emessa è chiamata a volte evaporazione, perché fa perdere energia al buco nero e dunque gli fa perdere massa. Perciò se il buco nero non mangiasse nulla per molto tempo, continuerebbe a “evaporare”, rimpicciolendosi fino a scomparire.
Come si arriva a questo risultato
La dimostrazione dell’esistenza di questa radiazione fa uso dei principi della Meccanica quantistica, applicati nell’ambito della Teoria della Relatività. Abbiamo detto più volte che Meccanica quantistica e Relatività non vanno molto d’accordo: dove funziona una teoria, fallisce l’altra e viceversa. Tuttavia negli anni si sono trovati dei modi per utilizzarle insieme. Esiste una teoria che permette di unificare la Meccanica quantistica con la Relatività Speciale. Questa teoria, chiamata Teoria quantistica dei campi (Quantum field theory) è molto complicata, ma ha permesso di ricavare il Modello Standard delle particelle elementari. Insomma, è la Teoria che ha reso possibile l’esperimento del CERN e tutte le scoperte fisiche degli ultimi sessant’anni. La Teoria dei campi funziona però solo con la Relatività Speciale, non con la Relatività Generale, ossia funziona quando si trascurano gli effetti della gravità. Questo significa che non abbiamo ancora una teoria fisica in grado di descrivere tutti i fenomeni quantistici e la gravità. In particolare non siamo in grado di descrivere il comportamento quantistico della gravità stessa. Se si trovasse una teoria di questo tipo, sarebbe quella che i fisici chiamano La teoria del tutto, perché sarebbe in grado di spiegare tutti i fenomeni naturali in modo coerente.
Nonostante non siamo in grado di spiegare a fondo il comportamento quantistico della forza di gravità, è possibile però applicare la Teoria dei campi anche in presenza di gravità. È la cosiddetta Teoria dei campi in spaziotempo curvo. Non è una teoria completa, perché la gravità fa in qualche modo da spettatore ai processi fisici in gioco, ma ci permette di studiare alcuni fenomeni quantistici anche quando c’è la gravità – anche vicino a un buco nero, ad esempio.
Le particelle virtuali e la radiazione di Hawking
Molto spesso per spiegare la radiazione di Hawking viene utilizzato il concetto di particella virtuale. Le particelle virtuali sono in generale particelle che violano alcuni principi fisici, come il principio di conservazione o il principio di causalità. Per questo non sono considerate particelle vere e proprie. Si usano perché saltano fuori nella Teoria dei campi quando si fanno alcuni conti, ma la loro esistenza in natura è una questione più filosofica che scientifica.
Comunque sia, spesso la radiazione di Hawking viene spiegata utilizzando le particelle virtuali. Vicino al buco nero si formano e si distruggono continuamente delle coppie di particelle virtuali con energia nulla. A volte però queste coppie di particelle si dividono: una particella cade nel buco nero e una fugge da esso. Delle due, la seconda, allontanandosi dal buco nero, diventa reale ed in teoria è possibile misurarla: è quella che crea la radiazione di Hawking. La prima invece cade nel buco nero e non la vediamo più. Siccome poi la coppia aveva energia totale nulla e la particella uscente ha energia positiva, per la conservazione dell’energia si dice che le particelle virtuali cadute nel buco nero hanno energia negativa e sono quindi loro che fanno diminuire l’energia – ossia la massa – del buco nero, facendolo rimpicciolire.
Tuttavia questa descrizione, anche se evocativa e in un certo senso intuitiva, è sbagliata: in Teoria dei campi in spaziotempo curvo, ossia quando anche la gravità è in gioco, non è possibile definire chiaramente cosa sia una particella. La definizione di particella è chiara quando la gravità è spenta, ma quando la gravità è accesa perde di significato. Hawking stesso non utilizza le particelle virtuali negli articoli tecnici. Insomma, è possibile ottenere i risultati sulla radiazione di Hawking in maniera rigorosa senza utilizzare il concetto di particella virtuale, che è solo un espediente divulgativo.
La radiazione di Hawking è stata misurata?
No, e per un motivo molto semplice: i buchi neri sono difficili da trovare e sono molto distanti da noi. Non abbiamo ancora la tecnologia per avvicinarci a un buco nero e misurare la radiazione di Hawking. Tuttavia è possibile fare degli esperimenti in laboratorio per simulare il comportamento di un buco nero utilizzando fluidi o fibre ottiche. In questi esperimenti sono stati osservati dei comportamenti compatibili con la radiazione di Hawking.
Pillole della settimana
Alcune notizie di questi giorni, brevi.
Scoperto un nuovo stato della materia
I fisici hanno osservato, in un materiale di Cloruro di rutenio, un nuovo stato della materia che era stato previsto una quarantina di anni fa, chiamato quantum spin liquid. Si tratta di un liquido fatto di elettroni a temperature prossime allo zero assoluto (-273 °C). Solitamente a temperature così basse gli elettroni tendono ad allinearsi in maniera particolare. In questo caso invece non lo fanno. Questo nuovo stato della materia potrebbe servire in futuro per sviluppare i computer quantistici, ma è troppo presto per dirlo con certezza. Trovate tutto qui.
Nuovo test per New Shepard, il lanciatore di Blue Origin
Terzo test per Blue Origin, la compagnia di Jeff Bezof che sta sviluppando dei lanciatori per il turismo spaziale. New Shepard è salito fino a 103 Km di quota, per poi riatterrare verticalmente a terra. Guardate il video perché è fantascienza: New Shepard ha riattivato i motori a 1 Km da terra, decelerando paurosamente.
Le scoperte di NEOWISE
La missione NEOWISE (Near-Earth Object Wide-field Survey Explorer) della NASA per la ricerca di asteroidi vicini alla terra ha rilasciato nuovi dati. Dalla sua riattivazione NEOWISE ha scoperto 250 nuovi oggetti, di cui 72 vicini alla terra, e 4 nuove comete. I dettagli e un video di spiegazione sono qui.
Feedback
Aspetto le vostre opinioni e domande a spacebreak [at] francescobussola.it
Se vi fa piacere potete far conoscere la newsletter a un amico inoltrandola o suggerendogli di iscriversi.
Per approfondire
– la radiazione di Hawking, spiegata in termini di particelle virtuali
– perché non abbiamo una foto di un buco nero (video in inglese)
– il paradosso dell’informazione dei buchi neri