La notizia che arriva dal MIT è davvero eccitante per il mondo della fisica, eppure se vi dicessi che la notizia è che gli scienziati sono riusciti a fermare un oggetto del mondo macroscopico forse voi direste: bella forza e che ci vuole? Se vi comunicassi la stessa cosa dicendo che hanno portato oggetti macroscopici a uno stato quantico invece sareste impressionati, ma se non avete studiato fisica non avreste idea di cosa hanno fatto.
Eppure la ricerca uscita su Science è intitolata Approaching the motional ground state of a 10-kg object che grosso modo vuol dire proprio Abbiamo fermato un oggetto di 10 chili.
Più volte mi sono schernito ricordandovi che non pretendo di fare divulgazione scientifica, c’è gente più qualificata e più brava di me per quello, sono solo un appassionato che riporta news scientifiche.
In questo caso però devo fare un po’ il divulgatore, sarebbe perfettamente inutile entrare nei dettagli di quello che hanno fatto gli scienziati del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) senza aver stabilito che conosciate i presupposti minimi per capire la notizia.
Nell’articolo si parla di temperature, temperature bassissime, espresse in nanokelvin, forse saprete che un grado Kelvin corrisponde a un grado Celsius ma la scala parte dallo zero assoluto cioè -273,15°C.
Ma non stavamo parlando di movimento? Se come il sottoscritto avete studiato fisica perlomeno al liceo forse ricorderete che temperatura=movimento, questo è un concetto abbastanza intuitivo quando si parla i gas e tutti (o quasi) sanno che su di esso si basano i frigoriferi: se comprimi un gas lo raffreddi.
Ma gli oggetti solidi del mondo reale sono un’altra cosa giusto? Una mela ferma su un tavolo è ferma. Non a livello quantistico, se vi avvicinate molto fino ad osservare i suoi atomi scoprireste una realtà molto diversa fatta da un brulichio di particelle in movimento.
Ora la cosa da sapere è che gli scienziati sognano di fermare le cose, ma fermarle davvero! Perché in quelle condizioni per loro succedono cose molto eccitanti per il loro desiderio di comprendere come funziona il mondo. Ma se calore=movimento allora vuol dire che raffreddare qualcosa significa fermarlo e viceversa? In effetti sì, un modo in cui gli scienziati sono riusciti a fermare singoli (o pochi atomi) è calcolare perfettamente il loro moto e la direzione ed applicare una forza contraria. E questo lo hanno fatto grazie al laser (per la misurazione) e a magneti (per la forza) il processo si chiama feedback cooling. Fare una cosa del genere con un oggetto macroscopico è immensamente più difficile, tanto che gli scienziati per portare oggetti macroscopici ad uno stato quantico hanno tentato l’altra strada, cioè quella di raffreddarli a temperature bassissime sperando di portarli a uno stato tale da poter studiare gli effetti quantici su un sistema macroscopico.
Per raffreddare (o meglio fermare?) un oggetto macroscopico portandolo vicino al cosiddetto ground state (cioè quel moto residuo delle particelle che è ineliminabile) bisognerebbe conoscere il moto dei loro atomi con estrema precisione, qualcosa che pochi strumenti al mondo possono fare, LIGO è uno di questi. Lo specchio di 10 kg su cui hanno agito aveva un’energia di movimento residua pari a 10-20 metri, vale a dire un millesimo del diametro di un protone. Tradotto in temperatura equivale a dire che era di 77 nanokelvin non distante dai 10 nanokelvin che gli scienziati avevano predetto come ground state dell’oggetto.
I ricercatori del MIT hanno concluso con eccitazione di aver dimostrato che è possibile portare oggetti macroscopici ad uno stato quantico.
Roberto Todini
