Il labirinto dei quanti

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31 ottobre 2018

A richiesta con «Le Scienze» di novembre il libro di Paul Halpern

Non di rado nella storia della scienza il ruolo del caso è stato decisivo nella genesi di scoperte che hanno cambiato profondamente la nostra visione della realtà e il nostro posto nel mondo. Se poi le scoperte riguardano la meccanica quantistica, il quadro teorico che descrive i fenomeni del mondo atomico e subatomico, allora il ruolo del caso diventa ironico, visto che il mondo dei quanti è permeato di casualità e probabilità.

In effetti traspare una certa ironia di fondo in Il labirinto dei quanti, libro di Paul Halpern, allegato a richiesta con «Le Scienze» di novembre e in vendita nelle librerie per Codice Edizioni, in cui si racconta l’incontro avvenuto nel 1939 alla Princeton University, negli Stati Uniti, tra John Archibald Wheeler, all’epoca ventottenne, e Richard Feynman, di sette anni più giovane.

Fu un incontro casuale perché inizialmente, dopo l’ammissione a Princeton, Feynman avrebbe dovuto essere l’assistente di Eugene Wigner, fisico di origini ungheresi che si occupava sempre di fisica quantistica, ma all’ultimo momento fu assegnato a Wheeler. Fu anche un incontro monumentale tra due fisici assai originali che hanno avuto il coraggio, forse la sfrontatezza, di ripensare dalle fondamenta la fisica quantistica negli anni in cui divideva aspramente la comunità scientifica. Lo sapeva bene un altro ospite di Princeton di quel periodo, Albert Einstein, il quale detestava la meccanica quantistica, il «giocare a dadi» di questa teoria emersa agli inizi del Novecento, proprio mentre il fisico tedesco, convinto seguace del determinismo, metteva a punto la teoria della relatività.

Dal punto di vista professionale, Wheeler e Feynman erano due tipi molto diversi. Il primo era ricco di immaginazione, aveva intuizioni di vasta portata; il secondo invece era cauto e accurato, ed eccelleva nei calcoli. Erano due tipi

molto diversi anche nel carattere. Feynman odiava le convenzioni, ricorda Halpern, sfidava le attese del pubblico su come dovesse essere uno «scienziato serio»; Wheeler, al contrario, era tranquillo, misurato e aveva un modo di fare e di parlare educato. Eppure, anche se così differenti, il loro sodalizio nato nel 1939 durò per tutta la vita, fino alla morte di Feynman nel 1988 (Wheeler ci ha lasciati nel 2008), trasformando il rapporto tra studente e mentore in un’amicizia alla pari.
I risultati scientifici di questo rapporto umano tra due grandi menti della fisica sono tanti e delineati con cura da Halpern in un libro che è anche un affresco su un periodo d’oro della scienza, in cui fanno capolino, oltre al già citato Einstein, molti altri fisici che hanno avuto rapporti con Wheeler e Feynman.

Basterebbe citare il Nobel assegnato nel 1965 a Feynman per la sua elettrodinamica quantistica, una delle teorie più precise della fisica, che descrive le interazioni tra luce e materia; oppure il ruolo cruciale di Wheeler nell’elaborazione di una teoria quantistica della gravità, e più in generale nel riportare dopo la seconda guerra mondiale la relatività generale di Einstein all’attenzione della comunità scientifica dopo un lungo periodo di oblio: sarà un passaggio fondamentale per un ambito di ricerca che culminerà nella prima rilevazione diretta di onde gravitazionali nel 2015. E non finisce qui. Le idee di Wheeler e Feynman hanno trasformato il concetto di tempo: da semplice flusso immutabile in un’unica direzione, il tempo è diventato un labirinto di alternative. Una delle conseguenze teoriche è che potremmo vivere in uno di tanti universi paralleli, un’eventualità per niente gradita da Wheeler e Feynman. Ma chissà se esiste davvero un universo parallelo in cui quell’incontro del 1939 non è avvenuto e questo libro non è stato scritto.

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“Entro dieci anni troveremo TRACCE DI VITA ALIENA” – Parte Seconda

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Tracce di vita aliena

 

Ecco come potrebbe apparire il tramonto visto da quattro pianeti extrasolari, recentemente accreditati della possibilità di ospitare la vita, a confronto di quello sul nostro pianeta (il primo da sinistra). L’immagine, realizzata dal PHL (Planetary Habitability Laboratory) di Arecibo, tiene conto delle dimensioni apparenti, dei colori e della luminosità di ognuna delle stelle, nonché delle ipotetiche caratteristiche delle atmosfere. Le dimensioni e i colori della stella di Kepler-22b, ad esempio, sono simili a quelli del Sole visto dalla Terra, mentre i tramonti di Gliese 581d e di Gliese 667Cc sembrano molto più rossi dei nostri perché i due pianeti orbitano intorno a una nana rossa, con il cielo di Gliese 581d molto più scuro a causa della sua maggiore distanza. Ricordiamo che il Planetary Habitability Laboratory gestisce tra l’altro il catalogo HEC (Habitable Exoplanets Catalog), una vera bibbia per l’appassionato di astrobiologia e ricerche collegate (http://phl.upr.edu/projects/habitable-exoplanets-catalog)

Secondo un pronunciamento dell’attuale Chief Scientist della NASA, nuovi strumenti e future missioni spaziali forniranno a breve la prova dell’esistenza della vita; se non nel Sistema solare, sicuramente sui pianeti extrasolari. È una sua personale opinione o un parere condiviso dall’intera comunità astronomica?

«Finalmente abbiamo la tecnologia adatta e la stiamo ulteriormente potenziando; i nuovi telescopi, sia terrestri che spaziali, ci consentiranno di identificare la vita sui pianeti del Sistema solare e soprattutto su quelli di altre stelle». Questo, almeno, è quello che sostiene Ellen Stofan, principale consigliere scientifico dell’attuale amministratore della NASA Charles Bolden, secondo la quale è molto probabile che riusciremo ad avere forti indicazioni riguardo la scoperta di vita extraterrestre entro un decennio, e ad averne la prova definitiva entro 20 o 30 anni.

Per fare un po’ di chiarezza abbiamo chiesto un’opinione ad alcuni tra i massimi esperti del settore, in Italia e all’estero.

Quella che segue è la seconda parte dell’inchiesta che, iniziata su Coelum n. 193 proseguirà anche nei prossimi numeri. Alla fine, cercheremo di tirare le fila e azzardare qualche conclusione.

John Robert Brucato

Diciamo che sono un po’ scettico verso proclami di questo genere, non tanto sul fatto che si possa trovare la vita o no ma perché hanno un sapore più politico che scientifico.

C’è da dire che le prossime missioni su Marte, Encelado e Europa potranno dire qualcosa in più. La presenza di criovulcani (vulcani di ghiaccio d’acqua) su Encelado sono la prova che esiste un oceano sotto lo strato ghiacciato che è a contatto con una crosta di silicati. Queste condizioni possono essere ideali per la nascita della vita a causa del processo di serpentinizzazione  (alterazione della struttura cristallina dei minerali mediante presenza di acqua) che sulla terra avviene nei camini idrotermali lungo la dorsale oceanica.

Attualmente la NASA sta studiando due missioni su Encelado; la prima preleverà dei campioni di ghiaccio emesso dai criovulcani riportandoli a terra per le analisi, una seconda missione attraverserà i getti di ghiaccio dei criovulcani analizzando in situ la composizione chimica del materiale.

Diciamo che se la vita è presente, queste missioni ce ne potranno dare l’evidenza. Comunque, per rimanere entro il termine dei 20-30 anni ci dobbiamo rivolgere a Marte, un pianeta molto simile alla Terra sul quale sappiamo essere state presenti grandi quantità d’acqua di cui – come ha mostrato il rover Curiosity – ancora oggi restano delle tracce. Manca all’appello però
un altro componente importante della vita terrestre: il materiale organico.

Questo, infatti, deve ancora essere definitivamente identificato attraverso missioni spaziali in situ. La ricerca di sostanze organiche su Marte è stata finora limitata agli esperimenti biologici e chimici condotti dai lander Viking negli anni ‘70 e, più di recente, all’analisi dei campioni di Marte condotte dallo strumento SAM a bordo del rover Curiosity, oltre alla ricerca
condotta in laboratorio su meteoriti marziani.
Il lancio di ExoMars, la missione dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e di quella Russa (Roscosmos), è previsto per il 2020. Il principale strumento per le analisi organiche su ExoMars è Mars Organic Molecule Analyzer (MOMA), uno spettrometro
di massa con sorgenti multiple che cerca tracce chimiche di possibile vita su Marte. Questo strumento affronta gli obiettivi scientifici principali che sono stati identificata dalla comunità scientifica, cioè:

  • • trovare le tracce organiche che sono sopravvissute sulla superficie e nel sottosuolo di Marte;
  • • capire qual è il ruolo tra produzione endogena ed esogena nel bilancio del materiale organico presente su Marte;
  • • individuare le prove geochimiche di abitabilità passate o presente di Marte.

Grazie all’uso di questi strumenti riusciremo a capire se Marte è un luogo ideale per la vita, nell’attesa che l’uomo sbarchi sul pianeta rosso riportando a Terra frammenti di suolo marziano da analizzare. Ma per questo, come ci dice la NASA, dovremo
aspettare ancora qualche decennio.

In conclusione, riguardo alla sicurezza di Stofan… be’, spero che abbia ragione!

In questo numero la seconda parte dell’inchiesta con, oltre alla risposta di J.R. Brucato, anche quelle di: Giuseppe Galletta, Enrico Flamini e Isabella Pagano.
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E tu, alla luce delle interviste fatte, cosa ne pensi?

Prima parte
Seconda parte
Terza parte – Leggi direttamente

Clicca qui per leggere il finale dell’inchiesta

 

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L’articolo completo è pubblicato su Coelum n.194 – 2015 alla pagina 26

“Entro dieci anni troveremo TRACCE DI VITA ALIENA” – Parte Prima

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tracce di vita aliena

Secondo un pronunciamento dell’attuale Chief Scientist della NASA, nuovi strumenti e future missioni spaziali forniranno a breve la prova dell’esistenza della vita; se non nel Sistema solare, sicuramente sui pianeti extrasolari. È una sua personale opinione o un parere condiviso dall’intera comunità astronomica?

Nel dubbio, abbiamo chiesto di commentare la notizia ad alcuni dei massimi esperti di settore.

Radiotelescopi sempre più grandi, interi decenni passati a frugare il cielo alla ricerca di un segnale, milioni di frequenze elettromagnetiche esplorate… E niente, nemmeno il più pallido indizio di vita al di fuori della nostra Terra!

Ma proprio quando le nostre certezze di ieri si stavano rivelando abbastanza ottimistiche, se non addirittura ingenue, ed eravamo rassegnati a un’attesa di chissà ancora quanti secoli di ascolti, ecco che proprio in questi giorni veniamo a sapere che la tecnologia ci sta mettendo a disposizione una scorciatoia, un modo molto più facile e diretto di trovare la vita; quello di dare un’occhiata all’atmosfera dei pianeti extrasolari che siamo andati scoprendo negli ultimi vent’anni!

Amedeo Balbi

Abbiamo le prove che esistono pianeti intorno ad altre stelle della nostra galassia solo da poco più di vent’anni, ma è stato nell’ultimo decennio che c’è stata una vera esplosione nell’osservazione di questi pianeti extra-solari, o esopianeti. Adesso cominciamo ad avere un campione statistico considerevole, di alcune migliaia di esemplari, con caratteristiche fisiche che vanno dai pianeti rocciosi di tipo terrestre fino ai pianeti giganti gassosi simili a Giove, passando per pianeti molto diversi da quelli del nostro Sistema solare, per esempio le super-Terre, pianeti rocciosi molto più massicci della Terra.

Ora stiamo davvero entrando nella fase in cui comincia a essere interessante osservare meglio alcuni di questi pianeti per caratterizzarne le proprietà: si trovano nella zona abitabile della stella, ovvero c’è la possibilità che abbiano acqua liquida in superficie? Hanno un’atmosfera? E, se sì, quali sono la sua composizione e le sue proprietà?

Nei prossimi anni, questo tipo di indagine diventerà centrale, e potremo davvero individuare particolari tipi di elementi o sostanze che, sulla Terra, sono connessi all’attività biologica, i cosiddetti biomarker: per esempio la presenza di grandi quantità di ossigeno o di metano nell’atmosfera, e persino le proprietà superficiali del pianeta, per esempio se sia coperto di vegetazione. Tutto questo sarà possibile usando, tra l’altro, spettrometri di grande precisione installati nei grandi telescopi da Terra (di aperture pari o superiori ai dieci metri) già esistenti o in costruzione: questi strumenti, attraverso la lettura di righe spettrali caratteristiche, ci permetteranno di identificare le proprietà fisiche delle atmosfere e della luce riflessa dal pianeta.

Quindi ritengo che l’orizzonte temporale dei venti anni sia piuttosto realistico per questo tipo di investigazioni. Naturalmente, ciò non vuol dire che avremo successo, perché quello che troveremo sarà, come sempre accade nella ricerca, incerto e aperto alle sorprese. Ma siamo in un momento storico in cui chiedersi se si possono trovare tracce di vita su pianeti di sistemi diversi dal nostro non è più fantascienza.

In questo numero la prima parte della nuova Inchiesta con, oltre alla risposta di Amedeo Balbi, anche quelle di: Cristiano Cosmovici, Teresa Fornaro, André Brack, Giovanni Vladilo e Barbara Cavalazzi.

E tu, alla luce delle interviste fatte, cosa ne pensi?

Prima parte
Seconda parte
Terza parte – Leggi direttamente

Clicca qui per leggere il finale dell’inchiesta

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L’articolo completo è pubblicato su Coelum n.193 – 2015 alla pagina 16

Una fontana galattica per ALMA e MUSE

Astrofisica/Astrophysics, Astronomia/Astronomy, Fisica/Physics, Osservatori Astronomici/Astronomical Observatories, Osservatorio Europeo Australe (ESO)/European Southern Observatory (ESO), Pianeti del Sistema Solare/Planets of the Solar System, Pianeti Extrasolari/Extrasolar Planets, Specola Vaticana/Vatican Observatory, Storia dell'Astrofisica/History of Astrophysics, Telescopi Spaziali/Space Telescopes, Telescopio Spaziale James Webb/James Webb Space Telescope
Questa volta non è una rappresentazione artistica, ma una vera immagine composita! Certo i colori sono scelti per evidenziare le caratteristiche dell’oggetto, ripreso non nel visibile ma nei raggi X di Chandra, nel multispettro di MUSE e nelle onde radio submillimetriche di ALMA. Tutto per mostrarci qualcosa di ancora mai osservato direttamente con questo dettaglio, l’intero ciclo di caduta e espulsione di materiale da un buco nero supermassiccio al centro di una lontana galassia.

A solo un miliardo di anni luce di distanza, nel vicino ammasso di galassie noto come Abell 2597, giace una gigantesca fontana galattica. Un massiccio buco nero nel cuore di una galassia lontana  osservato mentre lancia nello spazio un ampio getto di gas molecolare freddo, che in seguito ricade sul buco nero come un diluvio intergalattico. L’afflusso e il deflusso di una fontana cosmica così vasta non erano mai stati osservati insieme; hanno origine nella zona più interna, di circa 100.000 anni luce, della galassia più luminosa dell’ammasso Abell 2597.

«Questo è probabilmente il primo sistema in cui troviamo una chiara evidenza sia dell’afflusso di gas molecolare freddo verso il buco nero e del deflusso o sollevamento operato dai getti lanciatl dal buco nero», spiega Grant Tremblay dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, ex-Fellow dell’ESO, che ha guidato questo studio. «Il buco nero supermassiccio al centro di questa gigantesca galassia si comporta come una pompa meccanica in una fontana».

Tremblay e il suo team hanno usato ALMA per tracciare la posizione e il movimento delle molecole di monossido di carbonio all’interno della nebulosa. Queste molecole fredde, con temperature fino a meno 250-260 °C, sono state osservate mentre cadono all’interno verso il buco nero. L’equipe ha anche utilizzato i dati dello strumento MUSE sul VLT (Very Large Telescope) dell’ESO per tracciare il gas più caldo, che viene lanciato fuori dal buco nero sotto forma di getti.

«L’aspetto unico qui è l’analisi molto dettagliata della sorgente che abbiamo realizzato utilizzando insieme i dati di ALMA e di MUSE“, ha aggiunto Tremblay. ”Le due strutture offrono una combinazione di strumenti incredibilmente potente».

Insieme, queste due serie di dati, ci danno un quadro completo del processo: il gas freddo cade verso il buco nero, accendendo il buco nero e provocando il lancio nel vuoto di getti di plasma incandescente ad alta velocità. Questi getti, quindi, fuoriescono dal buco nero come una spettacolare fontana galattica. Senza speranza di sfuggire alle grinfie gravitazionali della galassia, il plasma si raffredda, rallenta e alla fine ricade di nuovo sul buco nero, e il ciclo ricomincia.

Questa osservazione senza precedenti, potrebbe far luce sul ciclo di vita delle galassie. Il team ipotizza che questo processo potrebbe essere non solo comune, ma anche essenziale per comprendere la formazione delle galassie. Mentre l’afflusso e il deflusso del gas molecolare freddo sono stati precedentemente rilevati, questa è la prima volta che entrambi sono stati rilevati all’interno di uno stesso sistema e quindi la prima prova che i due eventi fanno parte dello stesso vasto processo.

Abell 2597 si trova nella costellazione dell’Acquario, il nome deriva dalla sua inclusione nel catalogo di Abell di ammassi di galassie ricchi, cioè con un elevato numero di galassie. Il catalogo include anche ammassi come Fornax,  Hercules cluster e l’ammasso di Pandora.