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Medaglia Planck al fisico italiano Giorgio Parisi

Pubblicato su da ronin

Il fisico italiano Giorgio Parisi, molto attivo nel campo della meccanica statistica e in teoria dei campi, riceverà dalla Società Tedesca di Fisica un riconoscimento molto importante per i contributi apportati alla fisica dei sistemi complessi. L'italiano, considerato uno dei più autorevoli esponenti della sua branca scientifica, ottiene la Medaglia Planck, il più alto riconoscimento dopo il Nobel, per le sue ricerche nei campi della fisica teorica delle particelle elementari e la teoria dei campi quantici e la fisica statistica, come i sistemi con disordine stocastico, in particolare per i vetri di spin.

Il premio consiste in una medaglia d'oro che sarà consegnata al professore durante l'annuale conferenza di Dpg di Dresda. Il curriculum del celebre accademico, che insegna attualmente Reti Neurali presso il dipartimento di fisica teorica dell'Università la Sapienza di Roma, vanta circa 500 pubblicazioni scientifiche su riviste e 50 titoli per contributi offerti a congressi e ad università. Svariati sono stati i suoi campi di ricerca dall'antropologia alle scienze cognitive, passando per la finanza e arrivando alle scienze sociali, ma la sua attività principale è stata nel campo delle particelle elementari, della teoria delle transizioni di fase e dei sistemi disordinati e la meccanica statistica. Considerato dal mondo della fisica uno dei migliori scienziati italiani in assoluto, è l'unico del settore ad essere membro della National Academy of Science degli Stati Uniti d'America.

Noto a livello internazionale, il professor Parisi ha ricevuto numerosi riconoscimenti e premi. La medaglia Dirac nel 1999, per gli studi delle cosidedette equazioni Altarelli-Parisi per l'elaborazione dell'equazione stocastica dei modelli di crescita, è stata solo l'inizio del suo successo. Dal 2005 il professore colleziona una serie di successi in poco tempo. Nel 2005 vince il premio Dannie Heineman per la fisica matematica, l'anno dopo viene gratificato con ilpremio Galileo per la fisica e nel 2007, per il contributo nel campo della cromodinamica quantistica e dei vetri di spin, ottiene il Microsoft European Science Award.Ad aprile dell'anno scorso Parisi riceve il Premio Lagrange, riconoscimento che viene conferito agli scienziati che hanno dedicato la loro attenzione allo sviluppo della scienza della complessità nei più diversi ambiti di conoscenza. Non sorprende che il professore sia riuscito ad aggiudicarsi l'ennesimo premio e che esso sia il più alto riconoscimento al mondo dopo un Nobel.

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CERN, antimateria in bottiglia

Pubblicato su da ronin

Dopo aver creato mini-Big Bang all'interno del Large Hadron Collider, i ricercatori del CERN hanno ora raggiunto l'ennesimo risultato da primato nel campo della fisica dei quanti: questa volta a Ginevra sono riusciti a creare 38 atomi di antimateria e a "intrappolarli" mantenendoli stabilmente in vita per una frazione di secondo.

Stando al "modello standard" della fisica dei quanti, a ogni particella di materia elementare corrisponde il suo equivalente di antimateria con carica e spin speculari. Posseggono la loro antiparticella l'elettrone (positrone), il protone, il neutrone e tutte le altre componenti del variopinto "bestiario" del modello standard.

La creazione di antimateria in laboratorio o il suo utilizzo nella quotidianità (come nella tomografia a emissione di positroni) non è più una novità da molti anni, mentre resta ancora problematico lo studio delle sue caratteristiche specifiche vista la tendenza all'annichilamento che ha l'antimateria ogni volta che si scontra con la materia comune.Sfruttando un particolare design di campi elettromagnetici noto come "bottiglia magnetica", invece, i ricercatori del CERN sono riusciti a mantenere stabili 38 atomi di anti-idrogeno per due decimi di secondo ciascuno, su un totale di 10 milioni di antiprotoni e 700 milioni di positroni usati nell'esperimento.

Per quanto al momento di breve durata, la possibilità di produrre e "trattenere" gli atomi di antimateria fornisce agli scienziati la prospettiva di studiare più da vicino le loro caratteristiche. In tal modo i ricercatori potrebbero finalmente spiegare la discrepanza tra l'attuale, preponderante presenza della materia comune nell'universo e il fatto che dal Big Bang sarebbero teoricamente scaturite identiche quantità di materia e antimateria: quella frazione di materia standard sopravvissuta ha dato origine al tutto e infine alla vita sul pianeta Terra.

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La meccanica quantistica

Pubblicato su da ronin

La meccanica quantistica si basa essenzialmente sui seguenti principi :

        - 1 -    Principio di indeterminazione (Heinsenberg, 1927) :

                  non si possono  conoscere contemporaneamente posizione 
                  e velocità di un corpo con la precisione che  si  desidera.
                  Vi è un limite naturale invalicabile a questa precisione indicato dalla 
                  costante di Planck (circa 10 alla -30).


                   Questo principio, dal contenuto "drammaticamente" negativo, afferma in altre parole
                   che all'uomo non è dato di "conoscere" la realtà fisica con la precisione che desidera. 
                   Vi è un limite invalicabile insito nella natura stessa delle cose.

                   In altre parole, il disturbo apportato ad un sistema dai processi di misura è qualcosa 
                   di non completamente eliminabile. 

                   Per chiarire questo concetto e dare al principio di indeterminazione una giustificazione 
                   concreta supponiamo di volere misurare la posizione di un elettrone. Per potere fare
                   ciò occorre "illuminarlo" con una raggio di luce. In questo modo si può misurare la sua 
                   posizione. 

                   Per potere misurare la posizione di un elettrone con una certa precisione occorre
                   illuminarlo con luce di lunghezza d'onda almeno dell'ordine delle dimensioni dell'elettrone
                   stesso e per avere una maggiore precisione occorre che la luce abbia una lunghezza
                   d'onda via via minore.

                   Se in un'onda diminuiamo la lunghezza d'onda abbiamo in corrispondenza un aumento
                   della sua frequenza :

                    


                   D'altra parte sappiamo che la luce è costituita da fotoni che non sono altro che 
                   particelle dotate di un'energia pari al prodotto di una costante (la costante di 
                   Planck !) per la frequenza stessa della luce :

                            E = h · ν   (dove  E  è l'energia,  h  è la costante di Planck e  ν  ("ni")  è la frequenza).

                   Illuminando un elettrone con luce di alta frequenza in pratica lo si bombarda con
                   particelle dotate di grande energia. Risultato :

                            nel misurare la posizione dell'elettrone lo disturbiamo a tal punto da imprimergli
                            una grande energia tale da farlo "sbalzare" con una velocità del tutto imprevedibile
                            e questo in misura maggiore aumentando la precisione desiderata :

                    


                   Il principio di indeterminazione può essere anche formulato affermando che i corpi
                   "microscopici" non compiono traiettorie continue per cui, in meccanica quantistica,
                   il concetto di traiettoria continua, che è alla base della meccanica classica, decade :
                   sul movimento dei corpi non si può fare nessuna affermazione deterministica. Al più
                   si può conoscere la probabilità di trovare (facendo una misura) una particella in un 
                   certo punto dello spazio.

                   La meccanica quantistica è quindi una teoria probabilistica in cui si può al massimo
                   determinare (in modo deterministico) la probabilità della posizione di una particella.

                   Né si deve pensare che le particelle seguono "nascostamente" la meccanica classica finché 
                   non vengono "disturbate" da una misura. Se fosse così, per esempio, l'atomo non potrebbe
                   esistere perché i suoi elettroni, ruotando attorno al nucleo e seguendo la meccanica 
                   classica, dovrebbero, per le leggi della meccanica classica stessa, perdere energia sotto 
                   forma di radiazione elettromagnetica e cadere così nel nucleo (cosa che naturalmente 
                   non accade !).

                   In meccanica quantistica si deve rinunciare definitivamente ad ogni nozione di moto
                   in termini di traiettoria continua !!! Al massimo si può pensare che la probabilità di
                   trovare una particella viaggia nello spazio. E' essa (la probabilità) che segue traiettorie
                   classiche !!! 

                   Nella meccanica quantistica le particelle sono probabilistiche mentre le probabilità 
                   sono deterministiche.

                   E' ovvio che con il principio di indeterminazione non è possibile costruire nessuna
                   fisica. Accanto a questo principio ve ne sono altri (riportati qui sotto) dal contenuto 
                   positivo con i quali è possibile costruire una teoria fisica.

        - 2 -    Principio di corrispondenza :

                   la meccanica quantistica non può esistere senza
                   la meccanica classica. Siccome non si può affermare nulla circa il moto dei corpi
                   quantistici (microscopici), per misurarne le proprietà dinamiche (posizione, velocità, 
                   energia ecc.) li dobbiamo fare interagire con oggetti classici (macroscopici) che 
                   seguono la meccanica classica e di cui, quindi, sappiamo "tutto". Tramite le 
                   modificazione di questi oggetti classici (detti "strumenti di misura") siamo così in 
                   grado di avere informazioni sugli oggetti quantistici.

        - 3 -    Principio di sovrapposizione :

                   un corpo (od un sistema di corpi) si può trovare
                   contemporaneamente in più stati. Un corpo può cioè, per esempio, avere 
                   diversi valori di energia. Solo attraverso il processo di misura si determina un
                   valore ben preciso. Più precisamente, un corpo potrebbe essere in uno stato
                   corrispondente all'energia  1  ed dall'energia  2  con una probabilità per ciascuno
                   dei due valori. Potrebbe essere all'energia  1  al  30 %  ed all'energia  2  al
                   70 % . Ciò significa che facendo molte misure, il corpo verrà trovato il  30 %
                   dei casi con energia  1  ed il  70 %  dei casi con energia  2 .

Questi principi sono in apparente antitesi con il "buon senso". La meccanica quantistica è allora
una grande dimostrazione di come il cosiddetto "buon senso" sia erroneo e fuorviante, perché 
prodotto dall'esperienza di vita in un ambiente di cui i nostri sensi ne avvertono solo alcuni aspetti.

La meccanica quantistica diventa la meccanica classica se si considera la costante di Planck nulla,
ovvero se si immagina di considerare grande a piacere la precisione con cui misurare posizione e 
velocità dei corpi.

Considerando che la costante di Planck è molto piccola, la meccanica classica vale molto bene per
un enorme quantità di fenomeni.

Solo quando ci spingiamo nell'infinitamente piccolo (nel mondo degli atomi e delle particelle) essa
non vale più ed è allora che diventa valida la meccanica quantistica.

Descriviamo qui brevemente due importanti effetti quantistici non spiegabili con le teorie classiche. 

02 - Effetto fotoelettrico.

Fra '800 e '900, i fisici erano convinti di avere scoperto e capito tutto. La meccanica classica forniva
una descrizione molto precisa dei moti dei corpi qui sulla terra e su scala planetaria. La teoria di Maxwell 
spiegava una grande vastità di fenomeni elettromagnetici e la termodinamica descriveva con molta 
precisione i fenomeni relativi al calore.

Molti fisici allora pensavano che non vi fosse molto altro da scoprire e da capire.

Vi erano solo alcuni fenomeni, apparentemente di poco conto, che non si riusciva a spiegare con 
le teorie note. Fenomeni molto particolari ma poi rivelatisi tali da scardinare l'intero castello delle 
conoscenze.

Uno di quelli era l'effetto fotoelettrico la cui spiegazione fu data da Einstein nel 1905 e per la quale
successivamente ricevette il premio Nobel.

Per spiegare l'effetto fotoelettrico si dovettero introdurre concetti di meccanica quantistica, concetti
in netta antitesi con le teorie classiche. Fu così che nacque la grande rivoluzione scientifica avvenuta
all'inizio del '900 e che ha portato ad una nuova visione del mondo (che dovremo sicuramente ancora
modificare nel cercare di comprendere la materia/energia oscura).

L'effetto fotoelettrico consiste nella emissione di elettroni quando un metallo è colpito da radiazione 

elettromagnetica
 (diremo, per brevità, dalla luce). Si tratta di un effetto molto usato nella tecnologia, 
si pensi solo alle fotocellule.

        


La caratteristica fondamentale dell'effetto fotoelettrico è quella di avere una soglia di frequenza specifica 
per ogni metallo cioè, il fenomeno avviene solo se la frequenza della radiazione supera un certo valore
tipico di ogni metallo. Se la radiazione non possiede la frequenza giusta, non si ha emissione di elettroni. 

Come ben si sa, gli elettroni delle orbite più esterne dei metalli sono quasi liberi di muoversi a caso nel
reticolo del metallo stesso. Vi è una debole "differenza" di energia che li separa dall'esterno, e se per caso
assumessero tale energia, essi uscirebbero dal metallo. Questa energia che li costringe a stare dentro il
reticolo è tipica di ogni tipo di metallo. Ogni metallo ha al sua energia di estrazione (così è chiamata).

Il fenomeno dell'emissione fotoelettrica è quindi molto chiaro e apparentemente semplice da spiegare.
Vi è però il grosso problema che, dal punto di vista della teoria di Maxwell, un elettrone colpito dalla 
luce dovrebbe assumere energia con continuità fino ad essere in grado di superare la "barriera" ed uscire 
dal metallo. Ogni elettrone, colpito da luce di qualunque frequenza, prima o poi, appena raggiunta l'energia 
sufficiente, dovrebbe uscire dal metallo (secondo Maxwell).

L'evidenza sperimentale, invece, mostra, come abbiamo detto sopra, che luce di frequenza inferiore a quella 
di soglia, per quanto intensa e persistente nel tempo, non produce l'effetto.

Come si risolve la contraddizione fra realtà e teoria ? Ovviamente prendendo coscienza che la teoria è 
sbagliata e bisogna cambiarla. 

Per spiegare l'effetto fotoelettrico si devono introdurre i concetti della meccanica quantistica secondi quali
la luce è costituita da quanti, i fotoni,  particelle dotate di energia proporzionale alla frequenza della 
radiazione :

        E = h · ν 

dove  E  indica l'energia del fotone,  h  è una costante (la costante di Planck) e  ν  (ni) è la frequenza 
della radiazione.

Siccome un fotone cede ad un elettrone dentro il metallo la propria energia, essa sarà in funzione della 
frequenza per cui un elettrone supera la barriera ed esce dal metallo solo se la frequenza della luce 
corrisponde all'energia necessaria.



03 - Effetto Compton.

Colpendo un fascio di elettroni con della luce si ha che molti elettroni vengono deviati nella loro
traiettoria come se fossero stati urtati da particelle. Il fenomeno è spiegabile supponendo che la 
luce, come afferma la meccanica quantistica, sia formata da fotoni che si comportano negli urti 
come vere e proprie particelle.

        


Questo effetto non è descrivibile secondo la teoria di Maxwell.

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la teoria delle stringhe

Pubblicato su da ronin

 

La teoria delle stringhe prende le mosse da un articolo del fisico teorico Gabriele Veneziano per spiegare le peculiarità del comportamento degli adroni. Durante gli esperimenti condotti negli acceleratori di particelle, i fisici avevano osservato che lo spin di un adrone non è mai maggiore di un certo multiplo della radice della sua energia. Nessun semplice modello adronico, come quello di renderli composti da un serie di particelle più piccole legate insieme da un qualche tipo di forza, era in grado di spiegare tali relazioni. Nel 1968 Veneziano trovò che una funzione a variabili complesse creata dal matematico svizzero Leonhard Euler (latinizzato Eulero), la funzione beta, si adattava perfettamente ai dati sull'interazione forte. Veneziano applicò la Funzione Beta di Eulero
alla forza forte, ma nessuno sapeva spiegarsi perché funzionasse.

Nel 1970, Yoichiro Nambu, Holger Bech Nielsen, e Leonard Susskind presentarono una spiegazione fisica per la straordinaria precisione teorica della formula di Eulero. Rappresentando la forza nucleare attraverso stringhe vibranti ad una sola dimensione, questi fisici mostrarono come la funzione di Eulero descrivesse accuratamente queste forze. Ma anche dopo che i fisici ebbero proposto una possibile spiegazione fisica per l'intuizione di Veneziano, la descrizione che le stringhe davano della forza forte faceva predizioni che contraddicevano direttamente le esperienze. La comunità scientifica perse presto interesse nella teoria delle stringhe, e il modello standard, con le sue particelle e i suoi campi, rimase a farla da padrone.

Poi, nel 1974, John Schwarz e Joel Scherk, e indipendentemente Tamiaki Yoneya, studiarono i modelli con caratteristiche da messaggero della vibrazione di stringa e trovarono che le loro proprietà combaciavano esattamente con le particelle mediatrici della forza gravitazionale — i gravitoni. Schwarz e Scherk argomentarono che la teoria delle stringhe non aveva avuto successo perché i fisici ne avevano frainteso gli scopi.

Questo condusse allo sviluppo della teoria di stringa bosonica, che è ancora la versione insegnata a molti studenti. Il bisogno originario di un'indipendente teoria degli adroni è stata accantonata con la nascita della cromodinamica quantistica, la teoria dei quark e delle loro interazioni. Ora si spera che o la teoria delle stringhe o qualcuna derivata da essa comporterà una comprensione fondamentale degli stessi quark.

La teoria di stringa bosonica è formulata in termini di azione di Polyakov, una quantità matematica che può essere usata per prevedere come le stringhe si muovono nello spazio-tempo. Applicando le idee della meccanica quantistica all'azione di Polyakov — procedura nota come quantizzazione — si può dedurre che ogni stringa può vibrare in molti modi diversi, e che ogni stato di vibrazione rappresenta un tipo diverso di particella. La massa di cui è dotata la particella e i vari modi in cui può interagire, sono determinati dai modi in cui la stringa vibra — essenzialmente, dalla nota che la stringa vibrando produce. La scala delle note, ad ognuna delle quali corrisponde una particella, è denominata "spettro energetico" della teoria.

Questi primi modelli includevano sia stringhe aperte, che hanno due punti terminali definiti, che stringhe chiuse, dove gli estremi sono congiunti a formare un anello, un loop. I due tipi di stringa si comportano in maniera leggermente diversa, producendo due spettri. Non tutte le moderne teorie delle stringhe usano entrambi i tipi; alcune comprendono solo le tipologie chiuse.

Comunque, la teoria bosonica comporta dei problemi. Fondamentalmente, la teoria ha una peculiare instabilità, portando al decadimento dello stesso spazio-tempo. In più, come il nome suggerisce, lo spettro di particelle contiene solo bosoni, particelle come il fotone con spin intero. Sebbene i bosoni siano un ingrediente indispensabile nell'universo, non sono i suoi unici costituenti. Investigando su come una teoria delle stringhe debba includere i fermioni nel suo spettro conduce alla supersimmetria, una relazione matematica tra bosoni e fermioni che è ora un settore di studio indipendente. Le teorie delle stringhe che includono vibrazioni fermioniche sono conosciute come teorie delle superstringhe; ne sono stati descritti parecchi tipi diversi.

Tra il 1984 e il 1986, i fisici compresero che la teoria delle stringhe avrebbe potuto descrivere tutte le particelle elementari e le interazioni tra loro, e centinaia di loro iniziarono a lavorare sulla teoria delle stringhe come l'idea più promettente per unificare la fisica. Questa prima rivoluzione delle superstringhe era iniziata dalla scoperta di un anomalo annullamento nella teoria delle stringhe di tipo I da parte di Michael Green e John Schwarz nel 1984. L'anomalia venne eliminata grazie al meccanismo di Green-Schwarz. Altre inaspettate e rivoluzionarie scoperte, come la stringa eterotica, vennero fatte nel 1985.

Negli anni novanta, Edward Witten e altri trovarono forti prove a dimostrazione che le differenti teorie delle superstringhe sono diversi limiti di una sconosciuta teoria a undici dimensioni chiamata M-teoria. Queste scoperte stimolarono la seconda rivoluzione delle superstringhe. Quando Witten la chiamò M-teoria, non specificò per cosa stesse la M, presumibilmente perché non si sentiva in diritto di denominare una teoria che non era in grado di descrivere interamente. Indovinare per cosa stia la M è diventato una sorta di gioco tra i fisici teorici. La M talvolta viene fatta corrispondere a Mistero, Magia o Madre. Ipotesi più serie includono Matrice o Membrana. Sheldon Glashow ha notato che la M può essere un rovesciamento di W, iniziale di Witten. Altri ipotizzano Mancante, Mostruoso o anche Murky (oscura). Secondo lo stesso Witten, come detto in PBS documentary, basato su "The Elegant Universe" di Brian Greene, la M in M-teoria sta per "magia, mistero, o matrice a piacere."

Alcuni recenti sviluppi nel campo delle D-brane, oggetti che i fisici hanno scoperto, possono anche essere incluse in alcune teorie che comprendono stringhe aperte della teoria delle superstringhe.

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L'apocalisse che viene dal sole

Pubblicato su da ustorio.over-blog.it

L'apocalisse che viene dal Sole

Per il 2013 è prevista un'eruzione solare che potrebbe generare una tempesta magnetica sulla Terra e distruggere le comunicazioni. Solo se non ci prepariamo.

 

La fine del mondo - o almeno del mondo civilizzato come lo conosciamo - non avverrà nel 2012 maun anno dopo, nel 2013, e la colpa sarà tutta del Sole.

Questo almeno è quanto sembra di capire dagli annunci di un picco nell'attività solare previsto proprio per quell'anno, il quale causerebbe sul nostro pianeta una tempesta magnetica in grado di mettere fuori uso le reti elettriche, quelle informatiche, i GPS, il trasporto aereo e in generale gli strumenti tecnologici di comunicazione che usiamo quotidianamente, distruggendo dunque il nostro modo di vita.

In realtà è necessario fare un po' di chiarezza: le tempeste geomagnetiche sono un fenomeno reale, e la loro capacità di fare danni è dimostrata dagli avvenimenti di un passato non troppo lontano; nel 1989, per esempio, sei milioni di persone in Canada restarono senza corrente per alcune ore, e verso l'inizio del secolo scorso, nel 1921, si registrò una tempesta ancora più potente.

E' chiaro che la capacità di prevedere le tempeste magnetiche è importante; infatti per il 2013 è davvero prevista la possibilità di una tempesta magnetica di intensità eccezionale (di quelle che si verificano all'incirca ogni 100 anni) dovuta all'aumento dell'attività solare e in grado, in teoria, di compromettere i sistemi su cui facciamo affidamento ma, proprio perché lo sappiamo, sappiamo anche quali contromisure prendere.

La NASA dispone di sonde che permettono di avvisare per tempo i responsabili dei vari sistemi, i quali possono così intervenire perminimizzare i rischi: anche per questo esiste negli Stati Uniti lo Space Weather Enterprise Forum, il cui sito parla per l'appunto dell'incontro, tenutosi a giugno, dedicato al prossimo picco di attività solare previsto per il 2013.

Qualora dunque il picco previsto tra tre anni si verificasse, e qualora ciò desse origine a una tempesta magnetica, potremmo persinoregistrare degli inconvenienti, magari anche seri, alle infrastrutture (gli imprevisti possono sempre succedere); gli scenari apocalittici però con tutta verosimiglianza non avranno luogo, perché da qui ad allora c'è tutto il tempo di prepararsi.

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