Se qualcuno di voi conosce Caos di James Gleick sicuramente ha già sperimentato la capacità di questo autore di coinvolgere chi legge in grandi avventure scientifiche offrendo il giusto spazio alle idee e alle persone. In Genio: la vita e la scienza di Richard Feynman (come potete assaggiare dai link che riportano alcuni paragrafi dei suoi libri) questo eccezionale divulgatore si concentra su uno dei fisici più importanti del ’900: Richard Feynman.

Su Feynman si potrebbe scrivere un’intera enciclopedia, ma in questo libro si trova quanto basta per avere un’idea abbastanza chiara sulle sue scoperte, sulla realtà in cui viveva e sul suo vulcanico carattere, che gli ha permesso di affrontare non poche difficoltà. Chi è Richard Feynman? L’inventore dei diagrammi di Feynman, uno dei fisici che hanno partecipato alla creazione della bomba atomica, uno dei fondatori  dell’elettrodinamica quantistica, un docente che ha cercato di cambiare radicalmente l’insegnamento della fisica, ma anche un uomo che è rimasto vedovo a 27 anni e che pochi anni dopo ha scritto una lettera appassionata alla deceduta moglie (la loro storia ha ispirato il film del 1996 Infinity), un abilissimo ballerino e suonatore di tamburi, uno scassinatore di casseforti, lo scienziato che ha spiegato il disastro del Challenger nel 1986. In questo elenco non c’è nemmeno una minima parte di quanto ci sarebbe da dire su questo grande fisico: penso che possa però suggerirvi da un lato quanto possa essere difficile ricostruire una vita così intensa, ma anche quanto possa essere interessante leggerla.

Lo stile è quello consueto di Gleick: avvincente, giornalistico e stimolante. Più che descrivere nei dettagli i lavori di Feynman, e ciò renderebbe il pubblico del libro molto più ristretto, l’autore fornisce gli spunti necessari per approfondire. Un’altra buona ragione per leggere questa bella biografia, infatti, si trova nel fatto che racconta la nascita della fisica nucleare e la sua evoluzione permettendoci di scoprire come sono nati concetti come la stranezza e come è nata la necessità di accelerare fasci di particelle a velocità sempre maggiori.

Credo sia inutile aggiungere che una volta completata la lettura la curiosità aumenta e può essere placata con i molti scritti di Feynman, le interviste e le opere teatrali che lo riguardano. Un ottimo inizio è però questa biografia che permette di avere una visione d’insieme sulla sua vita, oltre ad essere, secondo chi scrive, un ottimo esempio di divulgazione scientifica.

“Light mill is a toy as long as you don’t try to explain how it works.” Mike I.

Un radiometro è un oggetto molto particolare, che a prima vista può sembrare un mulino e che ha dato del filo da torcere ai fisici per qualche tempo.

Si tratta di un bulbo contenente un mulinello le cui quattro pale sono dipinte da un lato di nero e di un colore riflettente  che le rende simili ad uno specchio dall’altra parte. Le pale sono montate su un ago per minimizzare l’attrito (dalla foto si vede discretamente bene) e contenute in un bulbo dove è presente un vuoto parziale. Lo si vede comparire in mostre scientifiche, musei e lezioni di professori reattivi come metodo per osservare la fantomatica pressione di radiazione: infatti il radiometro in questione se esposto alla luce gira e la sua velocità di rotazione si osserva essere proporzionale alla luce (da qui il nome radiometro). Questo strumento è stato sviluppato da Sir William Crookes nel 1873 mentre studiava le interazioni tra radiazione infrarossa e tallio e reso pubblico accompagnato da una spiegazione dell’inventore stesso in un articolo.

In generale la pressione di radiazione è una forza esercitata dalla radiazione elettromagnetica su una qualsiasi superficie che ad essa viene esposta. Questa forza è differente a seconda di come si comporta la superficie  colpita dalla radiazione: in particolare se la superficie è riflettente riceve una pressione doppia di quella che riceverebbe la stessa superficie se fosse totalmente assorbente. (Il meccanismo è lo stesso per cui se una sferetta viene lanciata contro una parete e compie un urto elastico trasmette un impulso doppio di quello che trasmetterebbe con un urto totalmente anelastico.) Pertanto si ha che sulla faccia riflettente viene esercitata una forza doppia che spinge le pale del mulino.

Questa interpretazione fu quella fornita da Crookes e che risultò molto accattivante per Maxwell, di cui confermava le teorie sulla radiazione. C’era però un problema: le palette ruotavano nel verso sbagliato. In poche parole era come se la forza spingesse dalla parte delle pareti nere! In condizioni di vuoto spinto, si verificò successivamente nel 1901 (quando fu dimostrata sperimentalmente l’azione della pressione di radiazione), quest’effetto si può osservare. Ci deve essere pertanto un fenomeno legato al fatto che il vuoto non è “perfetto” che si sovrappone significativamente sull’effetto della pressione di radiazione.

Si cercarono quindi spiegazioni alternative, analizzando nei dettagli il radiometro: una risposta venne dalla teoria dei gas. Infatti, come accennato, dentro il bulbo viene creato un vuoto parziale: anche perchè il radiometro non è costantemente connesso ad una pompa che lo mantenga a vuoto, perciò con il tempo “il vuoto è sempre meno vuoto” ed è perciò gas rarefatto.  Il fatto che il calore legato alla radiazione infrarossa venga maggiormente assorbito dalla faccia nera porta il gas  a contatto con la faccia scura a scaldarsi e perciò a dilatarsi spingendo la pala nel verso giusto.

Questa interpretazione viene spesso considerata quella corretta, ma Maxwell per primo leggendola capì che non poteva esserlo:  il gas espandendosi non avrebbe un effetto netto di rotazione, (ci sarebbe soltanto un flusso di calore all’interno del bulbo) perciò doveva essere qualcosa d’altro a muovere le misteriose palette.  Una variante di questa spiegazione  (legata all’ “evaporazione” di molecole sulla superficie della paletta) sarebbe valida  se il libero cammino medio delle molecole di gas rarefatto fosse confrontabile con le dimensioni del bulbo: è infatti una lunghezza minore di un millimetro.

In realtà qualche anno dopo che questa variante fu scartata Albert Einstein dimostrò che le pressioni dai due lati della paletta (che prima si è detto non avere effetto netto) non sono equivalenti nelle vicinanze dei bordi per via della differenza di temperatura ai due lati. La forza prevista dal calcolo di Einstein sarebbe sufficiente a muovere le pale del mulino, ma non troppo velocemente (mentre sperimentalmente lo si osserva andare piuttosto spedito).

La soluzione all’enigma venne invece da Osborne Reynolds nel 1879 con un articolo in cui introduceva il concetto di traspirazione termica ovvero il flusso di gas attraverso superfici porose causato da una differenza di temperatura sulle due diverse facce. Se supponiamo che il gas sia inizialmente alla stessa pressione ci sarà un flusso di gas dal lato più freddo a quello più caldo e perciò ad un aumento della pressione dalla parte più calda. Questo potrà sembrare un po’ strano e quantomento controintuitivo e avviene infatti soltanto per i gas rarefatti:  quello che avviene è che le molecole rimbalzano di più su una delle pareti porose  che non sull’altra e questo porta ad una condizione di equilibrio (dinamico) che invece di essere del tipo:

ha invece un andamento:

La differenza di comportamente tra gas e gas rarefatto è quindi responsabile di questo comportamento controintuitivo. Però si potrebbe protestare che le palette del radiometro non sono porose e infatti ci si deve concentrare sui loro bordi che sono soggetti ad una serie di forze tangenziali legate a queste differenze di pressioni. La rotazione prevista è uguale a quella osservata ed è una teoria che riesce a spiegare le velocità di rotazione raggiunte.

L’effetto è immediato, però come potete vedere la spiegazione non è per nulla banale e nemmeno reperire del materiale in merito è semplice: eppure il radiometro è un ” giocattolo”  interessantissimo che mette in gioco molti rami della fisica. Se qualcuno leggendo questo post trovasse degli errori o avesse altre informazioni mi farebbe un favore grandissimo commentandolo.

How does a light-mill works

Enhaced radiometric forces

Lightmill rotation revearsal (un interessante esperimento, che consiste nel fare ruotare nel verso opposto un radiometro mettendolo in un frigorifero)

Un po’  di notizie interessanti sulla pressione di radiazione

L’aurora è uno dei fenomeni  atmosferici più suggestivi e ha sempre suscitato stupore e meraviglia ispirando auspici e leggende. Ad esempio si credeva che fosse creata dalle valchirie durante le loro cavalcate nei cieli o da volpi artiche che correndo sbattevano la coda sulla neve.

La spiegazione scientifica di questo affascinante fenomeno non è meno suggestiva. Quello che si può osservare è il suo manifestarsi come un arco luminoso di colore solitamente verde-bianco (ma i colori possono essere diversi e in seguito si vedrà anche perchè) di intensità variabile localizzato in una zona compresa tra i 100 km e i 1000 km sulla superficie terrestre.

Le prime ipotesi di cui ho trovato informazioni risalgono al ’700 quando scienziati del calibro di Celsius, di Dalton e Biot iniziarono a studiare l’aurora osservando che poteva essere associata a interferenze magnetiche, misurandone l’altezza con il metodo della triangolazione e e proponendo legami con le eruzioni vulcaniche. Prima del 1888, però, l’ipotesi più accreditata era quella  secondo cui la luce aurorale  fosse luce solare riflessa da cristalli di ghiaccio presenti nell’atmosfera.  Nel 1888 il fisico svedese Ångström sfruttò le sue conoscenze della spettroscopia, scienza di cui fu uno dei fondatori, per dimostrare che la luce aurorale era molto diversa dalla luce solare: mancavano molte lunghezze d’onda presenti nello spettro solare e si osservava una forte analogia  tra lo spettro aurorale e quello prodotto applicando una forte differenza di potenziale ai capi di un tubo di vetro contenente del Neon.

C’erano perciò buone ragioni per supporre che l’origine della luce fosse simile. Nel tubo gli elettroni si muovono dall’elettrodo negativo a quello positivo , urtando gli atomi di neon (o di un gas analogo) presenti sulla loro strada. Nell’urto tali atomi vengono eccitati: gli atomi rimangono però in stato eccitato per poco tempo perchè la situazione con più energia è meno stabile e ritornano allo stato di riposo emettendo l’energia abbondante sotto forma di radiazione luminosa. Il colore di tale radiazione (o meglio la sua frequenza, visto che non necessariamente sarà radiazione elettromagnetica visibile) dipenderà dal tipo di gas contenuto nel tubo. In modo del tutto analogo la luce delle aurore è legata ad un processo di scarica elettrica che eccita gli atomi e le molecole presenti nelle regioni più alte dell’atmosfera.

La scarica e gli elettroni che la costituiscono derivano dall’interazione del vento solare con il campo magnetico terrestre. Nell’esperimento del tubo pieno di Neon per applicare una differenza  di potenziale si collega sostanzialmente il tubo ad un generatore che di solito sfrutta l’induzione. In questo tipo di generatori la corrente elettrica è prodotta muovendo un conduttore in un campo magnetico. La potenza aurorale viene prodotta in modo molto simile: infatti dallo strato più esterno del Sole, la corona, defluisce il vento solare che è costituito da gas che per l’alta temperatura a cui si trova è costituito da nuclei ed elettroni slegati (si tratta di plasma) ed è quindi un conduttore. Tale conduttore è in moto relativo rispetto ad un magnete: la Terra!  Ci troviamo così di fronte ad un vero proprio generatore che è molto potente: una grande centrale elettrica produce circa 1000MW e l’aurora polare ne produce da 1000 a 10000 volte tanto.

Ma ritorniamo al vento solare: il suo muoversi allontanandosi dal Sole confina il campo magnetico terrestre in una cavità a forma di cometa (con la coda in direzione antisolare e la Terra nel nucleo) avvolta da un “involucro” detto magnetopausa. Alla distanza di circa 10 raggi terrestri dalla superficie della Terra il modulo del campo magnetico terrestre è uguale a quello del campo magnetico solare, pertanto i due campi si interconnettono. Le particelle che costituiscono il vento solare verranno pertanto deflesse a seconda della loro carica in modo diverso dalla forza di Lorentz. I protoni vengono deflessi in senso antiorario e viceversa gli elettroni in senso orario. Si forma così una corrente  che fluisce dal terminale positivo sale a quello negativo seguendo cammini elicoidali intorno alle linee di campo. A questo punto la situazione si complica perchè si formano ulteriori circuiti, detti circuiti secondari, ma il succo della questione è nel fatto che queste correnti urtano atomi e molecole presenti nell’atmosfera inducendoli per il meccanismo visto prima ad emettere luce.

A questo punto è possibile capire i diversi colori delle aurore: i fattori sono il tipo di gas (a seconda della sua configurazione elettronica) e l’energia degli elettroni che producono l’eccitazione. Nella ionosfera l’atmosfera è costituita prevalentemente da ossigeno  atomico e ad essi è dovuta la luce aurorale più comune, quella bianco-verde. Gli elettroni più energetici, che riescono a penetrare più profondamente nell’atmosfera si scontrano invece con atomi di azoto neutro, producendo aurore di color rosso-rosa , mentre se urtano azoto ionizzato emettono luce color blu-violetto. In realtà la luce aurorale è fatta anche di altri “colori” che però il nostro occhio non è in grado di vedere: raggi X, radiazione ultravioletta e infrarossa. Ma direi che ci possiamo accontentare!

Questo breve articolo non contiene neanche un millesimo di tutto quello che si sa, che si cerca di scoprire sull’aurora. Particolarmente interessanti sono anche le sue forme, decise dalla combinazione di molte variabili in gioco, e i suoi movimenti. Inoltre non sono affatto un fenomeno che si verifica soltanto sul nostro pianeta: anche Mercurio, Saturno, Venere e Giove hanno infatti una magnetosfera che permette questi fenomeni.

Con questo concludo questo post, sperando che sia risultato interessante:  per chi fosse interessato consiglio i lavori del ricercatore S.I.Akasofu (sono comparsi suoi articoli su LeScienze e su Physics Teacher e probabilmente anche altrove) e “The Aurora Page”. Se ci sono errori vi invito a correggermi!

Questo breve post vuole offrire una panoramica generale sull’interferometria con particolare attenzione all’interferometro di Michelson. L’interferometria consiste sostanzialmente nello sfruttare l’interferenza fra più onde di luce (luce inteso nel senso ampio del termine come radiazione elettromagnetica e non solo luce visibile) coerenti , vale a dire che conservano la relazione tra le loro fasi durante la loro propagazione, per compiere delle misure molto precise.

Queste misure possono essere misure di lunghezze d’onda o di distanze dell’ordine di grandezza delle lunghezze d’onda utilizzate (supponendo che siano note). Inoltre gli interferometri possono essere utilizzati anche per studiare le proprietà ottiche, indici di rifrazione, di diversi materiali, sfruttando le differenze di cammino ottico.

Siccome esistono moltissimi tipi di interferometri in circolazione qui mi occuperò soltanto di uno, che è probabilmente il più semplice, ma è piuttosto versatile: l’interferometro di Michelson.

Come si può osservare dallo schema attraverso un proiettore viene inviato un fascio di luce coerente (ad esempio con un laser) che viene scisso in due parti dallo specchio al centro, che  ha la proprietà di essere semiargentato, in altre parole metà del fascio verrà riflessa e l’altra metà trasmessa (viene infatti chiamato beamsplitter). Entrambi i fasci verranno riflessi da due specchi e tramite una riflessione/trasmissione dello specchio semiriflettente finiranno dentro il nostri rilevatore (che può anche essere banalmente uno schermo su cui osserviamo l’interferenza).

Ora, i due fasci nel punto in cui rileviamo interferiranno tra loro e la figura di interferenza dipenderà da molti fattori tra cui:

• la lunghezza d’onda della luce usata
• dalle lunghezze dei bracci dell’interferometro e in generale dalle distanze in gioco
• dall’eventuale differenza degli indici di rifrazione dei materiali (eventualmente diversi) attraverso cui si propagano i due fasci

Pertanto conoscendo alcune di queste variabili perchè le imponiamo noi oppure abbiamo modo di misurarle diversamente possiamo ricavarne le altre.

Gli interferometri vengono utilizzati anche in astronomia sotto forma soprattutto di radiointerferometri (vale a dire lavorando con lunghezze d’onda dell’ordine di quelle delle onde radio) e, ma forse a questo verrà dedicato un altro post, l’interferometro di Michelson, perfezionato da Michelson stesso e da Morley ha permesso di smentire l’ipotesi dell’etere attraverso il cosiddetto esperimento di Michelson-Morley .

Mi rendo conto che questo post è piuttosto stringato perciò se ci sono curiosità o errori  commentate!

Un’oca depone un uovo in una bottiglia.

Più tardi, l’uovo si rompe e ne esce un’altra oca.
” Come farà questa seconda oca a uscire dalla bottiglia ? ”
chiede il maestro al suo discepolo.

Il monaco si ritira a meditare.
Vent’anni dopo, chiede un colloquio con il maestro e gli annuncia di aver risolto il koan

” Come l’hai risolto ? ” chiede il maestro

“L’oca è uscita ” risponde il discepolo

Questo koan penso possa essere adatto ad introdurre l’argomento di questo breve post.  Il problema in realtà è un po’ differente: ci chiediamo come sia possibile far entrare un uovo sodo in una bottiglia di vetro dotata di un’imboccatura leggermente più stretta della larghezza dell’uovo.

Dalle mie ricerche e da quanto ho sentito in giro ci sono prevalentemente due modi. Il primo può essere visto in questo video:

Uova e bottiglie

Consiste nell’incendiare un po’ di carta dentro la bottiglia di vetro e appoggiare l’uovo (che deve essere sodo e sgusciato) sull’imboccatura: esso verrà risucchiato. Il perchè è legato al legame tra temperatura e pressione: finchè la fiamma rimane accesa l’aria si espande e “scappa” dalla bottiglia prima che noi ne copriamo l’imboccatura con l’uovo e scivolando ai lati dell’uovo una volta che la bottiglia è “tappata”. Successivamente però la fiammella si spegne e l’aria rimasta si raffredda: tende perciò a contrarsi e crea un risucchio: l’uovo entra perciò nella bottiglia spinto dall’aria che fuori dalla bottiglia cerca di entrare.

Un altro metodo, che potremmo definire più chimico, non richiede che l’uovo sia sgusciato. Si lascia l’uovo immerso nell’aceto per qualche tempo, cosicchè il carbonato di calcio, che è ciò che rende rigido il guscio dell’uovo, essendo una base reagirà con l’aceto (che è un acido). Questo si può vedere anche con una leggera effervescenza. In seguito l’uovo sarà più molle e sarà possibile forzarlo attraverso il collo della bottiglia. Volendo si può inserire nella bottiglia del bicarbonato di calcio che riconferirà rigidità al guscio, intrappolando definitivamente l’uovo dentro la bottiglia.

E’ vero, forse questo titolo porta fuori strada, ma intitolare questo post (dopo parecchio tempo di latitanza) semplicemente Uno sguardo all’effetto Cerenkov mi sembrava troppo scolastico. In ogni caso come il nome suggerisce questo titolo deriva dal fatto che il fenomeno su cui volevo fare quattro chiacchiere è stato scoperto da Pavel Cerenkov , fisico russo esperto di fisica nucleare che per la scoperta di questo effetto vinse anche il premio Nobel.

Ma di che cosa si tratta? Cerenkov osservò che se una carica in moto attraversava un mezzo (per esempio dell’acqua o del benzolo) ad alte velocità si diffondeva una inspiegabile  luce blu.

La spiegazione di questo fenomeno è piuttosto complessa, ma molto interessante in quanto coinvolge diversi settori della fisica. Il primo è la meccanica ondulatoria e si lega a questo fenomeno in quanto la luce ha un comportamento ondulatorio. Probabilmente avrete notato andando in barca (oppure semplicemente guardando una papera in uno stagno) il formarsi di una specie di triangolo nella scia che la barca lascia dietro di sè. Questo tuttavia accade soltanto a determinate velocità. La barca muovendosi sull’acqua ne perturba la superficie pertanto iniziano (se essa si muove piano) a formarsi in tutte le direzioni onde circolari (analoghe a quelle che potete vedere gettando un sassolino nell’acqua).

Queste onde si propagano ugualmente in tutte le direzioni e ciò si può facilmente vedere attraverso la loro forma circolare. Accade però che se la barca si muove con velocità superiore a quella di propagazione dell’onda osserveremo il formarsi di un triangolo nell’acqua caratterizzato, all’aumentare della velocità della barca da un un angolo detto angolo di Mach. Un fenomeno del tutto analogo si osserva con il suono, che ricordiamo è un’onda di pressione nell’aria, quando un aeroplano si muove più velocemente della velocità del suono.

In questo caso però le onde sono trimensionali nello spazio e generano un cono che si vede attraverso il vapore acqueo che si forma sui fronti d’onda dell’onda di pressione generata.

Ma tutto questo cosa c’entra con le particelle cariche? Nella nostra situazione l’aereo, la barca o la papera sono rappresentate da particelle cariche che si muovono in un mezzo (acqua, per esempio). Un particella carica all’interno di un mezzo dielettrico polarizza  il mezzo in cui si sta muovendo, vale a dire che deforma per ragioni elettriche la forma degli orbitali delle molecole che lo costituiscono, con la formazione di alcuni dipoli elementari. Per velocità minori di quella della luce in quel mezzo (attenzione la velocità della luce nel vuoto non è superabile, ma quella della luce in un mezzo sì!) tale perturbazione è simmetrica, perciò quando, passata la particella, i dipoli ritornano nel loro stato elementare emettendo energia le radiazioni elettromagnetiche emesse tendono a compensarsi dando come risultato un campo pressochè nullo.

Tuttavia se la particella carica è sufficientemente veloce questa simmetria viene meno (le onde non si propagano più uniformemente in tutte le direzioni per lo stesso motivo per cui si forma la scia dietro la barca) e la radiazione risultante diventa misurabile (e percettibile). Si tratta perlopiù di radiazione ultravioletta, ma anche di alcune componenti della luce visibile (quelle a frequenza più alta, per ragioni , suppongo, di tipo energetico).

Questo fenomeno oltre ad essere interessante si rivela anche molto utile. Infatti questo effetto viene sfruttato dai rivelatori Cerenkov per i neutrini (particelle che interagiscono pochissimo con la materia) che vengono osservati nei raggi cosmici (ad esempio nel rivelatore giapponese Super-Kamiokande, un enorme vasca di acqua purissima circondata da fotomoltiplicatori, gradevole anche dal punto di vista estetico), oppure nei telescopi a raggi gamma, come MAGIC , oppure ancora per la misurazione delle velocità di particelle cariche.

L’argomento è molto interessante e suggerisco a tutti di guardare il documentario dedicato ad esso su Youtube (con le animazioni infatti sarà sicuramente più chiaro di come ho spiegato qui). Invito come sempre tutti ad esprimere commenti, perplessità e correzioni!

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