Un augurio da ATLAS? 15 gennaio 2010
Inviato da Marco in : ATLAS, CERN, Mezzi e messaggi, Scienza con Oliver commenti chiusi
L’altro giorno sono salito al segretariato di ATLAS per recuperare la chiave della stanza dove si teneva il meeting del momento, e uscendo ho notato una pila di biglietti d’auguri di buon anno di ATLAS. Poco pubblicizzati prima della fine dell’anno, apparentemente ne sono avanzati un sacco ancora a disposizione di chi volesse inviarli un po’ in ritardo ai suoi amici.
Ne ho acchiappati cinque, con l’idea di fare un esperimento: chissà che cosa direbbero i lettori di Borborigmi di ricevere un biglietto di augurio di buon 2010 di ATLAS, con tanto di immagine del primo evento con due jet visto dal rivelatore nel 2009, e un plot del primo candidato 
che decade in due pioni? Mi incuriosisce vedere come può funzionare l’interazione tra uno spazio virtualissimo (questo blog) e uno spazio reale (il mio tavolo, l’ufficio postale del CERN, le vostre cassette delle lettere).
E dunque, la cosa funziona così. Se vi sfruguglia l’idea di ricevere uno dei cinque biglietti d’auguri di ATLAS che stazionano sulla mia scrivania – debitamente autografato dal sottoscritto! – lasciate il vostro augurio per il 2010 nei commenti. Lunedì sera chiudo i commenti a questo post, estraggo a sorte cinque designati tra tutti i commentanti, li contatto per avere un loro indirizzo reale e spedisco loro gli auguri. Uno solo commento a testa, please, e segnalate nella maschera di commento un email funzionante, altrimenti non riesco a raggiungervi.
Vediamo che succede. Buon anno!
Aggiornamento [lunedì 18/1/2010]: sono le 19:30, ora che secondo i miei personalissimi parametri conta come inizio della sera (segnata, come si conviene, dalla cena di Giulia). Chiudo i commenti, più tardi estraggo i vincitori. Grazie a tutti per gli auguri, a dopo!
Il primo Carnevale della Fisica 30 novembre 2009
Inviato da Marco in : Fisica, Scienza con Oliver, Scienza e dintorni 1 commento finora
La giornata di oggi, 30 novembre 2009, oltre a vedere LHC battere il record mondiale di energia nella categoria acceleratori, ospita la prima edizione del Carnevale della Fisica. Nato sulla falsariga del Carnevale della Matematica su iniziativa di Gravità Zero, si tratta di una sorta di convention virtuale di blogger che si occupano in un modo o nell’altro di divulgazione scientifica sulla rete nel campo della fisica. Crepi l’avarizia, l’iniziativa si tiene in parallelo anche in lingua spagnola.
Per chi se lo stesse chiedendo, la data è stata scelta perché oggi sono 4 secoli giusti giusti da quando Galileo puntò il suo cannocchiale verso il cielo.
Se siete assetati di buone letture – non troppo complesse, ma nemmeno annacquate – su fisica e dintorni, date un’occhiata alla pagina dell’iniziativa, seguite i link e piazzate qualche segnalibro. Manco a dirlo, il sempre-vostro qui presente partecipa con le sue chiacchierate con Oliver. Qui sotto trovate la mappa dei partecipanti. Buona lettura.
La meccanica quantistica spiegata a Oliver. Gita al lago: onde che si sovrappongono 3 novembre 2009
Inviato da Marco in : Fisica, Scienza con Oliver 9 commenti(Leggi la prima e la seconda passeggiata)
Siamo finalmente arrivati al lago, con buona pace delle marmotte che Oliver ha inseguito su e giù per il crinale nell’ultima mezz’ora. Stanco di farsi prendere in giro da bestie decisamente più rapide e organizzate di lui, ha deciso di passare all’altra sua occupazione preferita. Con le zampe a bagno nel lago (la temperatura dell’acqua deve essere prossima allo zero; da anni mi chiedo se abbia o meno delle terminazioni nervose nelle zampe: deve averle perse nella neve tempo fa) attende impaziente (nel senso che abbaia molto insistentemente) che gli lanci dei sassi nell’acqua. Il divertimento è egualmente ripartito tra il tentare di prenderli al volo con i denti, generalmente ferendosi e scheggiandosi i canini, e il ripescarli dal fondo del laghetto con brevi ma intense sessioni di apnea, dopo svariati tentativi falliti di recupero con le zampe. Oliver è un cane con gusti semplici.
Mentre siamo li, io che lancio e lui che scava sott’acqua, penso che è il momento di tediarlo un po’ con la storia delle onde e dell’interferenza. In fondo, in questa follia di spiegargli la meccanica quantistica mi ci ha tirato lui, che fatichi un po’! È un attimo: invece di lanciare un solo sasso lo sorprendo con una mossa di rara complicazione, ne lascio due contemporaneamente. Vi lascio immaginare il balletto di indecisione: posso leggere “quale delle due afferro? Quale delle due afferro?” negli occhi di Oliver che seguono le due parabole, fino agli inevitabili “pluf!” finali: un simile dilemma paralizzerebbe il filosofo più scafato, umano o meno.
“Sei matto?” mi abbaia Oliver “Come pensi possa prendere al volo due sassi contemporaneamente? Non sono mica un cane da circo!”. Non volevo mica che li prendessi, volevo solo attirare la tua attenzione alle onde che i due sassi hanno formato sulla superficie dell’acqua: le hai notate? Sai che cosa è un onda, vero? Oliver mi guarda risentito: “Certo che so che cosa è un’onda! Un’onda è una perturbazione di qualcosa – in questo caso del livello superficiale dell’acqua del lago dentro al quale sto aspettando che mi lanci i sassi. Ah! Cosa credi? Sono un cane colto!”. E allora saprai di cosa parlo se nomino l’interferenza tra onde… (il vuoto si forma tra gli occhi di Oliver). Guarda la superficie dell’acqua:
(Photo credits: Photobucket)
I sassi che ho lanciato hanno generato delle onde circolari. Osserva i punti in cui le creste e le valli delle due onde si incontrano: che cosa noti? Ci sono punti in cui le due onde si incontrano al massimo di entrambe, fondendosi in una cresta ancora più altra; altri in cui la cresta di un’onda incontra la valle dell’altra, e i due livelli si compensano lasciando la superficie dell’acqua all’altezza iniziale; altri ancora in cui le onde si incontrano al minimo, fondendosi in una valle profonda il doppio. Il tutto dà origine a una modulazione della superficie dell’acqua diversa da quella che vedi quando lancio un sasso solo. Questo effetto di combinazione delle onde si chiama interferenza (costruttiva o distruttiva). Te lo mostro con uno schemino forse un dito più chiaro; i cerchi rossi e verdi mostrano le creste delle onde che verrebbero generate dai due sassi lanciati da soli, mentre le zone chiare (e scure) ti fanno vedere come le creste (e le valli) si combinano in una struttura più complessa data dall’interferenza delle due onde:
(Photo credits: Wikipedia)
“Ho capito, ho capito!” continua ad abbaiare Oliver “ma mi sfugge il perché di questa manfrina noiosa – e ovviamente il perché tu perda tempo e non mi lanci altri sassi!”. Caro quadrupede supponente, sono certo che ti ricordi la nostra discussione a proposito della luce, e che la luce é un’onda ma a volte si comporta da particella, e anche dell’ipotesi che i componenti della materia – che sono particelle – possano a volte comportarsi come delle onde. L’interferenza è un ottimo sistema per verificare la natura ondulatoria di qualcosa: possiamo farlo con la luce, e possiamo soprattutto tentare di farlo con la materia, per provare a capire cosa significa che una particella si comporta come un’onda. Ma ovviamente non qui in riva al lago! Per la luce ci servirebbero un puntatore laser, una stanza scura e uno schermo con due fenditure molto piccole (e magari proviamo a farlo a casa un giorno di questi); per le particelle ci servirebbe un laboratorio vero e proprio, per sparare degli elettroni contro un paio di fenditure (e mi sa dunque che ti racconterò solo il risultato).
“D’accordo, vada per l’esperimento semplice a casa, e il racconto di quello difficile. E adesso – visto che non sento più le zampe – che ne dici se esco dal lago, tu tiri fuori il salame dallo zaino, e facciamo un esperimento di fenditura e condivisione dell’insaccato?”.
Continua (alla prossima passeggiata).
La meccanica quantistica spiegata a Oliver. Seconda passeggiata: granelli di luce 10 giugno 2009
Inviato da Marco in : Fisica, Scienza con Oliver 16 commentiNon abbiamo fatto più di cinquanta metri lungo il sentiero che Oliver sembra essersi improvvisamente dimenticato dell’enorme territorio i cui confini vorrebbe segnare, e inizia a ronzarmi intorno insistente come solo quando si avvicina l’ora della pappa o vuole qualcosa che non può avere: “Dai, dimmi come Planck ha imbrogliato, dimmi come Planck ha risolto il problema, dimmi come Planck ha imbrogliato, oppure dammi un biscotto, dimmi come Planck, dammi, dimmi…”. D’accordo. d’accordo. Piuttosto che darti già un biscotto, vada per l’imbroglio di Planck.
Come probabilmente ti ricorderai, i fisici di fine ‘800 si grattavano la testa tentando di capire quale legge governasse le differenti emissioni di radiazione elettromagnetica da parte di un corpo a una certa temperatura. Gli strumenti teorici che avevano a disposizione consistevano essenzialmente nelle equazioni di uno scozzese barbuto di nome Maxwell, che aveva messo insieme elettricità e magnetismo in un quadro eccezionalmente coerente ed elegante. Il problema era che, partendo da questi presupposi “classici”, i fisici arrivavano a conclusioni che andavano bene per descrivere soltanto una parte della curva a campana (ti ricordi? Quella curva che rappresenta l’intensità della luce in funzione del suo “tipo”). Due lord inglesi, il signor Rayleigh e il signor Jeans, avevano tra gli altri tirato fuori una formuletta niente male che sembrava andare proprio bene per descrivere la curva nella regione delle grandi lunghezze d’onda, ovvero nell’infrarosso. Peccato che, spostandosi nella regione dell’ultravioletto, la legge di Rayleigh-Jeans prevede che l’intensità della luce diventi infinita. Lo sai, ai fisici piacciono i termini roboanti: tra di loro amavano chiamare questo fenomeno (inesistente) la catastrofe ultravioletta!
Oliver abbassa le orecchie terrorizzato e mette la cosa tra le gambe: forse ho esagerato un po’ con il tono. “Stai un po’ tranquillo, cane pavido che non sei altro! La natura se ne infischia dei fisici!”. Catastrofe ultravioletta o meno, nella vita reale l’intensità della luce raggiunge un massimo e poi ridiscende docile a valori più bassi mano a mano che ci spostiamo verso lunghezze d’onda più corte. La legge di Rayleight-Jeans è semplicemente sbagliata. Ed è qui che entra in gioco Planck con il suo imbroglio (“Finalmente! Uof!”).
Planck non aveva idea del perché la legge di R. e J. non funzionasse, né di come risolvere il problema. Era però un fisico, e come tutti i fisici sapeva bene che, non avendo pronta una teoria buona per descrivere le osservazioni, poteva sempre usare le osservazioni per cercare un indizio sulla teoria. Planck prese la formula di R. e J. e vi aggiunse un pezzettino, un termine matematico che domava la curva originale e la piegava a più miti consigli, allontanandola dalla catastrofe e riportadola a terra. Solo una volta trovato il pezzettino di formula che meglio accomodava i dati che osservava, Planck cominciò a preoccuparsi di capire quale significato nascosto contenesse la sua formula, e se questa potesse dirci qualcosa di più sulla natura della luce. Ed è qui che il suo imbroglio gli si ritorse contro.
Se guardi da vicino al formula di Planck – che così bene descrive le osservazioni sperimentali – e sai decifrare il linguaggio della matematica, scoprirai che la formula di Planck implica che la luce sia formata da granellini! Granellini! La formula di Planck ci rivela che l’energia proveniente dalle molecole del corpo che abbiamo scaldato (il sole, o il forno con l’arrosto davanti il quale hai mugolato di continuo l’altra sera) viene emessa in pacchettini, ognuno dei quali è multiplo di un pacchettino minimo proporzionale alla frequenza della luce emessa (dunque in qualche modo al suo “colore”) e a una costante universale che, guarda caso, chiamiamo la costante di Planck.
Allora, tu sei un cane certamente intelligente, dunque sono certo capisci le implicazioni di questa scoperta. Tutti gli scienziati pensavano che la luce fosse un’onda: questa era l’assunzione di base dello scozzese barbuto di cui ti parlavo prima. Adesso salta fuori Planck, imbroglia un po’ per trovare una soluzione a qualcosa che non quadra, e questa soluzione ha una conseguenza devastante: la luce è sì un’onda, ma si comporta anche come fosse composta da particelle. Rivoluzionario! Lo stesso Planck non ci credeva molto: fece molti tentativi per cercare di aggirare questa conseguenza scomoda, tutti senza successo: ogni volta che cercava di eliminare dal gioco la costante con il suo nome (“È solo un artefatto matematico” – si diceva – “Adesso la faccio diventare così piccola che le particelle di luce spariranno, lasciandomi soltanto le onde, ma anche la soluzione alla curva di emissione”) la curva impazziva e ritornava a descrivere catastrofi inesistenti.
Te la faccio breve, che siamo quasi arrivati al lago: pochi anni dopo un altro fisico di cui hai sicuramente sentito parlare, un certo Einstein, spiegò un altro fenomeno che faceva grattare la testa ai fisici – l’effetto fotoelettrico – usando l’ipotesi dei granelli di luce di Planck. Troppe cose sembravano andare a braccetto con la nuova ipotesi, che doveva dunque essere vera. Era nata la meccanica quantistica, da quantum, che in latino vuol dire proprio pezzettino, granello.
Oliver mi guarda distratto: ormai siamo al lago, e le tane di marmotte sono troppo attraenti per la sua capacità di concentrazione canina. Ma prima di lanciarsi in uno di quegli inseguimenti che potrebbero costarmi un multa enorme da parte della guardia forestale, mi guarda di sbieco e mi fa: “Dimmi un po’: se la luce è un’onda, e però abbiamo anche scoperto che si comporta come una particella, non è per case che la materia – che è fatta di particelle – si comporta anche come un’onda?“. “Credo proprio che tu ti sia meritato questo biscotto!” – gli dico veramente fiero. Continueremo dopo che avrai rincorso un po’ di marmotte. È questione di un attimo: Oliver è sparito, e la valle si riempie di fischi allarmati.
Continua (alla prossima passeggiata).
La meccanica quantistica spiegata a Oliver. Prima passeggiata: luce di tanti colori, ognuno con un’intensità diversa 18 gennaio 2009
Inviato da Marco in : Fisica, Scienza con Oliver 25 commentiOliver tira fuori il muso infangato dalla tana di talpa sulla quale è rimasto concentrato nell’ultimo quarto d’ora. Mi guarda come se si accorgesse improvvisamente della mia presenza dopo anni di indifferenza, e mi fa: “Dì un po’, ti ricordi l’ultima volta che abbiamo parlato di fisica? Io ero un po’ preoccupato per la storia del buco nero, e tu mi hai spiegato un po’ di probabilità, e raccontato di draghi nella cuccia e di biscotti che potrei avere oppure no. A un certo punto hai pure accennato alla possibilità che, per uno strano fenomeno chiamato tunnel quanto-non-mi-ricordo-bene, io e te saremmo potuti finire al centro della terra morendo di una morte atroce. Dicevi che era un evento mooolto improbabile, ed in ogni caso io ero pronto a seguirti (a patto che avessi quantità sufficienti di biscotti in tasca, ma quel giorno uscendo di casa mi sembrava avertene visto prenderne una bella manciata). Poi però ci ho ripensato” – Oliver ha dei tempi di riflessione piuttosto lunghi – “Quella storia del tunnel quanto-ci-siamo-capiti mi ha incuriosito: hai voglia di spiegarmi un po’ meglio come è possibile che qualcosa si solido (come per esempio un cane) possa passare attraverso qualcosa di altrettanto solido e impenetrabile (come per esempio l’ingresso di questa strettissima e inaccessibile tana di talpa): ho l’impressione che potrebbe tornarmi utile per la caccia. Che ne dici?”.
Inspiro ed espiro un paio di volte: “Mio caro quadrupede peloso, mi stai per caso chiedendo di spiegarti un po’ di meccanica quantistica? Lo sai che non è affatto banale?” “Lo immagino” fa lui con sguardo languido “ma nemmeno cacciare le talpe lo è. Se sarai bravo magari io potrei insegnarti un paio dei miei trucchetti…” “Tipo quello di scavare all’impazzata fino a quando l’ingresso della tana è completamente ostruito, e poi infilare il muso nel mucchio di terra smossa, e farsi mordere il naso?” “Esatto!” Uggiola Oliver entusiasta, mettendosi nella posizione di cane-modello che aspetta qualcosa. “Come resistere a un’offerta simile? Ma ti avverto, dovremo iniziare da parecchio lontano, e ci vorranno parecchie passeggiate” “Nessun problema: io devo uscire almeno due volte al giorno, se non vuoi che usi il tappeto…”.
Allora, devi sapere che i fisici sono a volte un po’ arroganti, e regolarmente credono di aver capito tutto, di aver scoperto tutto quello che c’è da scoprire. Alla fine del 1800 era più o meno così: tutto quello che succedeva in natura sembrava essere stato compreso. Che pacchia! Proprio in quel periodo alcuni di loro si misero a studiare un problemino che sembrava semplice: hai presente l’attizzatoio del camino? Quando lo lasciamo nel fuoco per un bel po’ diventa incandescente (Oliver abbassa le orecchie: negli anni ha imparato a diffidare del fiore rosso): questi fisici volevano capire le caratteristiche della luce emessa da un oggetto a una certa temperatura. O meglio, della radiazione emessa: non era necessariamente luce visibile, o perlomeno non lo era a tutte le temperature.
Questi fisici notarono che il “tipo” di luce emessa da un corpo caldo – il suo colore, se vuoi (Oliver è un po’ perplesso: i cani non hanno molta familiarità con i colori. Ma tiene duro: Oliver è un cane cocciuto) – dipende dalla sua temperatura. A una certa temperatura, un corpo emette luce (o meglio radiazione) di più “tipi” (di più colori, o, come piace dire agli scienziati, di diverse lunghezze d’onda); ed emette ogni tipo di luce con una diversa intensità. La somma di questi “tipi” di luce a diverse intensità ne determina il colore.
Per esempio il sole ci appare giallo, ed il colore che vediamo dipende proprio dalla sua temperatura, e dal particolare miscuglio di radiazioni di diversa lunghezza d’onda (con diverse intensità) che emette. Ti faccio un disegnino: su un asse metto il “tipo” di luce – il suo colore, ma preparati a spaziare anche nelle regione di luce che noi non vediamo – sull’altro asse metto l’intensità della luce emessa per quel particolare “colore” (ovvero, per quella lunghezza d’onda). Ecco la curva per il sole:
ed ecco quella per l’attizzatoio del camino, che è molto meno caldo del sole, ed emette principalmente nella regione dell’infrarosso, ma ha ancora qualche componente visibile appunto rossa:
Vedi? Le curve sono simili, anche se coprono regioni di lunghezza d’onda differenti. Adesso puoi provare a immaginarti la curva per il forno di casa (che è più freddo dell’attizzatoio del camino) dove sta cuocendo l’arrosto. “Mmmm” sbava Oliver, distraendosi un attimo… “Dai, su, lo sai che l’arrosto non ti spetta! Rimani concentrato!”.
Oliver si gratta accuratamente dietro l’orecchio, poi mi dice: “Vediamo se ho afferrato il concetto: un corpo a una certa temperatura emette un miscuglio di radiazioni di diversa lunghezza d’onda. Le caratteristiche del miscuglio (l’intensità della radiazione di ogni “tipo”) dipendono dalla temperatura, ma la forma generale del miscuglio è sempre la stessa, e assomiglia a quella curva a campana un po’ asimmetrica che mi hai disegnato. A volte la curva si trova in regioni di luce di un tipo, a volte di un altro, a seconda della temperatura del corpo in questione. Che ne dici, ci sono?” “Che bravo cane!” “E allora, dov’è l’inghippo? Che c’entra la meccanica quantistica?”.
Mio caro cane saputello, ti avevo avvertito che avremmo dovuto iniziare da lontano! Il problema è che nessuna delle equazioni della fisica di fine 1800, quelle sembravano descrivere così bene tutti meccanismi naturali conosciuti, riesce a descrivere questa curva che a te sembra tanto semplice! I fisici di allora si grattavano la testa con la stessa violenza con cui ti gratti tu quando ti prude un orecchio. Fino a quando non arrivò un certo signor Planck, che, rimanga tra noi, imbrogliò un po’, e imbrogliando trovò la soluzione al problema. E allo stesso tempo aprì il vaso di Pandora della meccanica quantistica. “un vaso pieno di biscotti come quello sul buffet di casa?” “Bah! Sei il solito. Dai, rientriamo a casa: il sole sta tramontando, e l’arrosto sarà ormai cotto” “Uof!”.
Continua (alla prossima passeggiata).
La statistica degli eventi improbabili spiegata a Oliver 12 ottobre 2008
Inviato da Marco in : Fisica, Scienza con Oliver, Scienza e dintorni 64 commentiDa qualche giorno Oliver mi guarda in cagnesco. In teoria non dovrebbe essere un problema, perché Oliver è a tutti gli effetti un cane. Il punto è che Oliver ha passato i suoi primi mesi di vita con una gatta, e questo lo ha piuttosto “felinizzato”. Chiariamoci, è sempre incredibilmente lineare, fedele e scemotto come un cane. Però saltella come un gatto quando caccia, e guarda in cagnesco solo in due casi: vuole assolutamente giocare a “tirami l’osso ed io ringhio feroce”, oppure è preoccupato. Le preoccupazioni di Oliver comprendono l’eccessiva vicinanza di qualcuno alla sua ciotola, un infante nella sua cuccia, o la sparizione di uno dei padroni per più di cinque minuti. Ma oggi sembra esserci qualcosa di nuovo. “Cosa c’è? Sputa il rospo!” “Non mangio rospi da quella gita in montagna…” “Uff” “Beh, anche se sono un cane a volte ascolto quello che si dice in giro. Tu stai costruendo un macchinone che ci ucciderà tutti. Si, insomma, quell’acceleratore elleaccacci a cui lavori, dicono che potrebbe distruggere il mondo con un buco nero o con qualche altra terribile cosa… ” (Oliver è un cane pavido) “… puoi garantirmi che la cosa è sicura, che non c’è pericolo?”.
Ahi ahi ahi, come faccio questa volta? Con il bosone di Higgs me l’ero cavata con la storia della melassa, ma questa volta mi tocca tirare in ballo la statistica, e statistica vuol dire numeri: Oliver sa contare, ma non gli piace farlo. Vabbé, proviamo.
Allora, Oliver, ascolta, ci sono due cose importanti che devi cercare di capire (Oliver assume la sua consueta faccia concentrata). La prima è questa: la scienza non può garantire nulla in modo assoluto. Non può dire “mai”, o “sempre” (lampo di terrore negli occhi di Oliver. Io continuo imperterrito). Per esempio, nella vita comune diciamo che la tua razione si pappa quotidiana (di nuovo rilassato e attento, conosco il mio pollo!) pesa 400 grammi. In realtà il massimo che la scienza può dire è che – con una certa probabilità – il peso della tua pappa è contenuto in un intervallo centrato sul valore di 400 grammi; intervallo che ha una larghezza che dipende da tanti fattori, ma principalmente dalla bilancia che abbiamo usato per pesare la pappa. Nella vita quotidiana questo intervallo è sufficientemente piccolo rispetto al peso totale della tua pappa, e finisce che ce ne dimentichiamo e usiamo solo il valore centrale. Allo stesso modo, la scienza non può mai dire che un avvenimento non avverrà mai, perché sappiamo solo calcolare la probabilità di un avvenimento (e in certi casi non ne siamo neanche capaci, ma di questo parliamo dopo). Tu capisci che cosa è la probabilità di un avvenimento, vero?
Se dico che hai il 50% di probabilità che io ti dia un biscotto ogni volta che usciamo in passeggiata, vuol dire che riceverai in media un biscotto ogni due passeggiate. E siccome usciamo in passeggiata due volte al giorno, in un anno riceverai in media 365 biscotti. Ma magari non proprio uno al giorno, che un giorno potresti riceverne due (Oliver sbava) e un altro nessuno (tristezza negli occhi). Adesso diciamo – ma solo per scherzo, eh! – che la probabilità che io ti dia un biscotto durante una passeggiata sia 
(Oliver – che conosce bene la notazione esponenziale – impallidisce, lo vedo persino sotto il pelo): cosa vorrebbe dire? “Un cane salsiccio meticcio longevo come me ha un’aspettativa di vita di 20 anni: se conto due passeggiate al giorno fanno 7300 passeggiate nella vita: non avrei mai nessun biscotto. E nemmeno se uscissi dieci volte al giorno!”. Beh, sono sicuro che adesso capisci: questa è la migliore definizione di “mai” che la scienza possa dare! Un evento estremamente improbabile ha una probabilità piccolissima, sebbene diversa da zero: l’inverso della probabilità ti dice quante volte dovresti “tirare il dado” (o uscire in passeggiata, o far sbattere un protone contro l’altro) per far avvenire almeno una volta (in media) quell’evento. Se questo numero è enormemente più grande delle tue possibilità di tirare il dado (o di uscire in passeggiata nella tua vita, o di far sbattere un protone contro l’altro nell’arco della vita di tutto l’Universo), allora puoi rilassarti e dirti che l’evento non avverrà “mai”. Pur continuando ad essere (pochissimamente) probabile!
Rincariamo la dose: esiste una probabilità che io e te, adesso mentre passeggiamo, transitiamo per un fenomeno che si chiama tunnel quantistico nel centro della terra e moriamo di una morte orribile. Diciamo, approssimando, che la probabilità sia circa di 
. Il suo inverso, contato in numero di interazioni tra atomi, è maggiore (e di molto!) dell’età dell’universo. E infatti nessun uomo e nessun cane si preoccupa che un tale evento possa accadere!
Ma qui arriva la seconda cosa di cui ti devo parlare. I biscotti in passeggiata o il tunnel quantistico degli atomi sono eventi che conosciamo e abbiamo osservato: sappiamo calcolarne la probabilità. Ma come facciamo per gli eventi che non sono mai accaduti? Come i buchi neri prodotti da LHC, o l’apparizione di draghi ferocissimi da un’altra dimensione nella tua cuccia quando vai a dormire? Semplice: non possiamo! Non è possibile calcolare una probabilità per un evento che non è mai accaduto. Quello che possiamo fare però è una cosa molto comune nella scienza: possiamo mettere dei limiti, ovvero possiamo dire che un certo evento mai osservato, se dovesse esiste, ha una probabilità di accadere inferiore a una certo valore. Come faccio il calcolo? Per esempio, potrei contare quante volte nella storia della terra i cani sono andati a dormire nella loro cuccia, e i draghi ferocissimi da un’altra dimensione non sono apparsi (perché no, stai tranquillo, per adesso non è mai accaduto). La probabilità dell’evento-draghi sarà inferiore all’inverso di questo numero. “Che è un numero grande!” – guaisce Oliver, che ormai ha capito l’antifona, dunque una probabilità piccola, dunque… E per esempio puoi calcolare quante interazioni tra due protoni di energia simile a quella delle collisioni di LHC sono avvenute in natura dall’inizio dell’universo: è di nuovo un numero molto grande. E siccome non abbiamo avuto buchi neri catastrofici o draghi che abbiano inghiottito l’universo, puoi mettere un limite superiore alla probabilità di questi eventi, e confrontarla con il numero di collisioni che avverranno a LHC. Che è la migliore approssimazione di “non accadrà mai a LHC” che puoi dare. Soddisfatto?
Oliver sembra decisamente più sereno di quando siamo usciti di casa. Di colpo si ferma, si siede e gonfia il petto: “Se dovessimo finire nel centro della terra per quel tunnel-quanto-non-mi-ricordo-bene, io sarei fiero di morire al tuo fianco! Posso avere un biscotto, adesso?”.
Il bosone di Higgs spiegato a Oliver 23 gennaio 2007
Inviato da Marco in : Fisica, Scienza con Oliver 249 commentiOliver è un cane molto curioso, anche se spesso si interessa con costanza solo a quello che può essere nascosto dietro un cespuglio, sotto un cuscino o nella mia tasca. Ogni tanto però nelle nostre passeggiate mattutine mi sorprende con domande che mai mi sarei aspettato da un salsiccio-meticcio come lui. Me le fa di solito di mattina presto, e normalmente non c’è nessun altro oltre a me ad ascoltare. Oliver è un cane piuttosto riservato.
L’altra mattina Oliver mi ha chiesto dove trovo i soldi per comprargli i biscotti. Gli ho spiegato che lavoro al CERN per un esperimento di fisica che tra le altre cose cerca una particella chiamata bosone di Higgs. Di solito si accontenta, ma doveva essere particolarmente concentrato perché ha insistito chiedendomi: “che cos’è il bosone di Higgs?”.
Aiuto, qui devo iniziare da lontanissimo. O forse no, Oliver in fondo è un cane intelligente (insomma, forse non proprio intelligente, ma almeno sveglio. Insomma, è un cane, no?). Allora, gli ho detto, hai presente la tua ciotola dell’acqua? Dentro c’è appunto dell’acqua, e un tempo si pensava fosse tutto li. L’acqua è acqua. Poi qualcuno h cominciato a chiedersi che cosa avrebbe trovato affettando l’acqua (o qualunque altro materiale) in pezzi piccolissimi. Avrebbe trovato sempre acqua, o qualcosa di più fondamentale che componeva l’acqua? E si sarebbe fermato a un certo punto? Si iniziò separando le molecole, poi affettando ancora più a fondo si scoprì che anche una molecola d’acqua è un composto, formato da un atomo di ossigeno e due di idrogeno (Oliver conosce la chimica, e fin qui non fa domande). E gli atomi? Sminuzzando pure loro li si scoprì composti da un nucleo attorno a cui orbitavano delle particelle chiamate elettroni, e nei nuclei delle particelle chiamate protoni e neutroni. Non tanto tempo fa si arrivò ad affettare ancora di più (il verbo “affettare” piace molto a Oliver, gli ricorda il macellaio e si solito inizia a sbavare), per scoprire che anche protoni e neutroni sono dei composti fatti da particelle ancora più elementari, i quark.
Bene, per farla breve, oggi gli scienziati pensano che tutte le cose siano fatte dalle particelle che vedi in questo disegnino, i quark e i leptoni, che si combinano tra loro come in un gioco delle costruzioni (un protone per esempio è costituito da due quark up e un quark down, un neutrone da due quark down e un quark up). Questi costituenti elementari si parlano scambiandosi delle altre particelle “messaggere”, che sono i fattorini delle forze fondamentali della natura: il fotone (la luce in tutte le sue forme) trasporta la forza elettromagnetica, che è quella responsabile di tutta la chimica e le interazioni di tutti i giorni; i gluoni scambiano la forza “forte”, che tiene insieme i quark e i nuclei degli atomi; le particelle W e Z si occupano di scambiare la forza “debole”, che è quella responsabile della radioattività. Hai ragione, c’è anche la gravità, che però meriterebbe in discorso a parte che facciamo un’altra volta, d’accordo? Bene, mi dirai tu, dunque gli scienziati sano tutto, abbiamo tutti gli ingredienti della materia e pure i collanti per tenerla insieme: non siete soddisfatti? No, non del tutto.
Vedi, la teoria che descrive i componenti fondamentali di tutte le cose (la chiamiamo il Modello Standard, ed è stato formalizzato negli anni ‘70 del secolo scorso) funziona veramente molto bene, ma ha un piccolo difetto: sostiene che le particelle non dovrebbero avere massa. Capisci? Nessuna massa, particelle senza peso! E’ un bel controsenso, perché noi sappiamo benissimo che le cose hanno massa, e dunque ce l’hanno le particelle che le compongono. Il problema è che se aggiungiamo “a mano” nella teoria la massa delle particelle, le equazioni vengono distrutte e non funzionano più (i fisici teorici dicono che l’invarianza di gauge della teoria non era rispettata). Un bel dilemma, no?
Poi negli anni 60 il signor Peter Higgs saltò su dicendo: “io avrei una possibile soluzione!”. Supponiamo che le particelle in effetti non abbiamo massa di per sé, ma che nell’universo esista però un campo che pervade tutto, una sorta di melassa cosmica che le particelle devono attraversare quando si muovono. Questa melassa frenerebbe in modo diverso ogni particella (e ogni composto di particelle, anche gli uomini e i cani) rendendola più o meno pesante. Wow! Tradotta in equazioni l’idea funzionava: le particelle acquisivano massa e le equazioni della teoria rimanevano valide senza spappolarsi. Eureka!
Già, ma come fare a provarlo? Il signor Higgs andò oltre nei suoi calcoli e notò che se la sua ipotesi era vera, allora questa sorta di melassa cosmica, oltre a dare massa alle particelle, ogni tanto doveva anche raggrumarsi su se stessa, dando vita una nuova particella che venne battezzata bosone di Higgs. Ecco, il bosone di Higgs, se esiste, è il condensato di questo campo che pervaderebbe tutto e sarebbe il responsabile della massa di tutte le altre particelle. Capisci adesso perché lo cerchiamo? Se riuscissimo a vederlo avremmo la prova che la teoria del signor Higgs è esatta, e dunque una spiegazione del perché tutto ha una massa. Mica pizza e fichi! E poi pensa che potrebbe anche essercene più d’uno: la melassa cosmica potrebbe essere un miscuglio di più gusti, per cui potremmo avere grumi dal sapore diverso.
Allora sei soddisfatto? Si, capisco bene che adesso avresti altre mille domande: come siete arrivati a scoprire tutti i mattoni fondamentali della materia? Come cercate di vedere questo misterioso bosone di Higgs? E se non lo trovate, non è un bel problema? E perché l’altro giorno ti sei eccitato tanto? Risponderò a quest’ultima: l’altro giorno sono saltato sulla sedia perché un esperimento americano (si chiama CDF, e lavora su un acceleratore chiamato Tevatron vicino a Chicago) ha annunciato che forse aveva visto una debole traccia del bosone di Higgs, o meglio di uno dei bosoni di Higgs millegusti-più-uno a cui accennavo prima. Niente di ancora sicuro, ma insomma, almeno da drizzare le orecchie.
Questo post è dedicato a Fabio e Giegio, sperando di non averli annoiati troppo. Questo qui sotto è Oliver mentre ascolta una delle mie spiegazioni. Un allievo modello, non c’è che dire!
