Pubblicato in: musica, Scienze e tecnologia

La musica del bosone

Guido Emilio Tonelli è professore ordinario di Fisica Generale presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa. Domenica 22 gennaio ha scritto su LaLettura del Corriere della Sera questo interessante articolo che ho trovato qui.
Quella specie di cinguettio l’hanno sentito tutti: qualcuno ha avuto l’idea di trasformare in suono il segnale registrato dai due interferometri di Ligo e l’impatto mediatico è stato enorme. Il 14 settembre 2015 la grande infrastruttura di ricerca statunitense ha rivelato una minuscola, ma inequivocabile, variazione di distanza nel sistema di specchi illuminati da fasci laser di potenza. Era il segnale che i ricercatori sognavano di vedere da vent’anni: un fremito sottile dello spazio-tempo, una leggerissima perturbazione dovuta al passaggio di un’onda gravitazionale. Einstein l’aveva ipotizzato nel 1916 ma c’era voluto quasi un secolo di sviluppo della tecnologia per verificare le sue previsioni.
Il segnale ha avuto una durata di 0,2 secondi e la forma caratteristica di un’oscillazione che aumenta di frequenza e di ampiezza in circa otto cicli. Si passa dai 35Hz dei primi cicli ai 250Hz degli ultimi. È la sequenza tipica di onde gravitazionali emesse da un sistema binario: i due corpi ruotano su orbite sempre più piccole e veloci fino al collasso in un unico corpo celeste. Le frequenze del segnale si trovavano nella banda dell’udibile ed è stato naturale trasformarle in suono. Ne è uscito qualcosa che assomiglia al cinguettio di un uccellino, un trillo che diventa sempre più acuto.
Quella sequenza di suoni così delicati racconta in realtà un’immane catastrofe cosmica: uno sconquasso di 1,4 miliardi di anni fa, quando, in una lontanissima galassia, due enormi buchi neri sono entrati in collisione. I due corpi, ciascuno pesante più di trenta Soli, hanno dapprima spiraleggiato, vorticosamente, e alla fine della folle danza, si sono fusi viaggiando l’uno nella braccia dell’altro, alla velocità spaventosa di 180.000 km/s. Nella pazzesca accelerazione degli ultimi istanti il sistema ha irraggiato un’immane quantità di energia, l’equivalente di tre masse solari, sotto forma di onde gravitazionali che hanno perturbato il cosmo intero per giungere fino a noi.
Il cinguettio dello spazio-tempo percosso dalla fusione di due buchi neri è l’ultimo esempio, in ordine di tempo, della trasformazione in suono di fenomeni fisici o di dati di vario tipo. Una pratica che si va estendendo nei campi più variegati della ricerca. È basata sulla cosiddetta sonificazione, cioè l’utilizzo di algoritmi che associano dati numerici a note e strumenti musicali appropriati. Il primo esempio di sonificazione di successo si deve forse al professor Hans Geiger e al suo studente Walther Müller, inventori del più popolare rivelatore di particelle ionizzanti che da loro prese il nome. L’interazione di una particella col contatore, segnalata dal caratteristico clic, rendeva lo strumento di immediata comprensione anche per i non specialisti e giocò un ruolo importante nel determinarne la diffusione.
La trasformazione in suoni di fenomeni fisici o di dati ad esso correlati non è un semplice divertimento, o un pretesto per costruire lavori musicali piacevoli e intriganti. In realtà l’orecchio umano ha potenzialità discriminatorie enormi. Ci bastano poche parole al cellulare per riconoscere la voce di un amico e distinguerla da altre col timbro quasi identico. Tutti noi siamo in grado di trovare regolarità e strutture nei suoni o di percepire anomalie semplici. Chi ha orecchio educato, come i direttori d’orchestra, è in grado di percepire distintamente la più piccola delle incertezze su centinaia di suoni che evolvono in tempi, ampiezze e frequenze diverse.
Ecco che la trasformazione in suoni di dati scientifici potrebbe aprire la strada non solo a una fruibilità più diretta degli stessi, ma anche alla scoperta di ulteriori informazioni, talvolta imprevedibili o inaspettate. È questo il lavoro che sta a cuore a giovani ricercatori come Domenico Vicinanza, musicista e compositore italiano, con dottorato in fisica delle particelle, che lavora in Inghilterra al Geant, una rete europea dedicata alla ricerca e alla formazione. I primi contatti con Domenico risalgono a cinque anni fa, quando mi contattò, al tempo in cui ero responsabile dell’esperimento Cms al Cern e tutti i nostri sforzi erano concentrati nella caccia al bosone di Higgs. Domenico proponeva di sonificare la scoperta del bosone di Higgs mentre noi eravamo lì, nell’incertezza più totale, con la paura che anche il nostro sarebbe stato l’ennesimo tentativo infruttuoso. Ma l’idea piaceva e quindi si cominciò a collaborare. Il risultato si chiama LHC Open Symphony ed è un brano leggero e allegro per piano, marimba, xilofono, flauto, doppio basso e percussioni. Quando lo riascolto il cuore mi si riempie di gioia, come quando abbiamo visto per la prima volta la particella che inseguivamo da decenni”.

Pubblicato in: Pensatoio, Scienze e tecnologia, Storia

Utili collisioni

cern

Pubblico dal sito del Corriere un breve articolo di Paolo Virtuani su un esperimento svolto stamattina al Cern.
«È un passo storico per la fisica e la tecnologia». Fabiola Gianotti non usa mezzi termini per descrivere quanto avvenuto mercoledì mattina all’acceleratore di particelle Lhc di Ginevra. Dopo il test perfettamente riuscito eseguito nella notte tra il 20 e il 21 maggio con soli due fasci di protoni, il 3 giugno sono avvenute le prime collisioni utilizzando migliaia di fasci di particelle subatomiche all’energia record di 13 teraelettronvolt (13 Tev), ossia 13 mila miliardi di elettronvolt (unità di misura dell’energia utilizzata a livello atomico).
«È stato possibile anche grazie all’importante contributo dell’Italia», ha aggiunto Gianotti, che dal prossimo 1° gennaio assumerà la direzione del Cern. «Si tratta di un passo in avanti senza precedenti, a cui hanno contribuito l’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn) e l’Ansaldo, che ha costruito oltre un terzo dei magneti superconduttori dell’acceleratore». «È un risultato fantastico!», ha detto l’attuale direttore generale del Cern, Rolf Heuer. «Adesso non dobbiamo avere fretta: i risultati non arriveranno domani, né fra una settimana, ma sicuramente arriveranno e saranno straordinari».
Il significato di queste ricerche lo spiega la stessa scienziata italiana: «Le collisioni a questa energia ci permettono di affrontare questioni di fisica fondamentale e diventa possibile trovare risposte a domande aperte, come quella relativa alla natura della materia oscura. Diventa anche possibile scoprire perché l’universo è fatto prevalentemente di materia». Sono le principali due domande alle quali il Modello standard (l’attuale teoria fisica che cerca di spiegare la natura dell’universo) non ha ancora dato una risposta: cioè di cosa è composta la materia oscura (che da sola vale il 25% di tutto ciò che è presente nel cosmo) e l’asimmetria tra materia e antimateria (quest’ultima è di fatto quasi assente) nonostante si ritenga che entrambe siano state prodotte in uguale misura dal Big Bang.”

Pubblicato in: Filosofia e teologia, Pensatoio, Scienze e tecnologia

Universi

universi 2

Quando leggo articoli come quello che segue di Davide Patitucci su Il Fatto quotidiano, mi sembra di tornare ai tempi del liceo o ai due anni di Scienze Geologiche. Pochi giorni fa avevo scritto in maniera entusiasta del libro “Sette brevi lezioni di fisica” di Carlo Rovelli; vi si può leggere “C’è così tanto spazio lassù, è puerile pensare che in quest’angolo periferico di una galassia delle più banali ci sia qualcosa di speciale. La vita sulla Terra non è che un assaggio di cosa può succedere nell’universo. La nostra anima non ne è che un altro”. Lo consiglio vivamente. Sul versante letterario invece consiglio “Uno” di Richard Bach. Sul sito della Rizzoli vi si può leggere: “E se potessimo incontrare noi stessi come eravamo vent’anni fa o come saremo in futuro? Sul filo dell’allegoria e di una sofisticatissima, inesauribile capacità inventiva, “Uno” ci conduce in un infinito numero di mondi dove non esistono né lo spazio né il tempo, alla ricerca di tutto ciò che saremmo potuti essere e non siamo stati, di ciò che siamo e non potremo essere.”. Ma ecco l’articolo di Patitucci:

Secondo lo strano mondo della meccanica quantistica, abitato da atomi e particelle, esiste un universo in cui questo articolo non è mai stato scritto. E, a un tempo, un altro mondo in cui è possibile leggerlo e commentarlo. Bizzarrie della realtà a livello dei suoi costituenti più intimi, governata da fenomeni che spesso fanno a pugni con il senso comune. E che hanno fatto storcere il naso persino ad Albert Einstein. Come la teoria del multiverso, in base alla quale esisterebbe una pluralità di universi paralleli, al punto che ogni decisione che ciascuno di noi prende in questo mondo ne creerebbe di nuovi. Secondo questa interpretazione, ci sarebbe, ad esempio, un mondo in cui il Terzo Reich è uscito vincitore dalla II guerra mondiale, e un altro in cui Hitler è uno sconosciuto pittore.
Può sembrare la sceneggiatura di un film, eppure i fisici teorici studiano questi scenari da almeno 50 anni, ed esistono complicati ed eleganti calcoli matematici in grado di descriverli. Secondo l’ultima formulazione, appena pubblicata su “Physical Review X” da un team dell’University of California a Davis, e della Griffith University australiana, non solo gli universi paralleli esisterebbero davvero, ma potrebbero persino interagire.
Quando fu introdotta per la prima volta negli Anni ’50 dal geniale matematico americano Hugh Everett III, all’epoca in forze alla Princeton University, la teoria dei molti mondi venne derisa. Everett riuscì a fatica a pubblicarla, e alla fine abbandonò disgustato la carriera accademica. Negli anni, però, le sue raffinate spiegazioni di alcuni strani fenomeni del mondo subatomico, come la capacità delle particelle di coesistere in luoghi diversi – stranezze che spingevano il premio Nobel Richard Feynman ad affermare che “chiunque crede di aver capito la meccanica quantistica, non l’ha compresa abbastanza” – hanno fatto sempre più breccia tra i fisici.
universiSecondo la teoria di Everett – spiega Howard Wiseman, a capo del team australiano – ogni universo si divide in una serie di nuovi universi, quando viene effettuata una misurazione quantistica. Partendo dalle sue intuizioni, abbiamo dimostrato che è proprio dall’interazione tra questi mondi, soprattutto repulsiva, che nascerebbero i fenomeni quantistici”. “Nel multiverso – aggiunge su New Scientist David Deutsch, fisico della Oxford University – ogni volta che facciamo una scelta si realizzano anche le altre, perché i nostri doppi negli universi paralleli le compiono tutte”. Un’idea sfuggente, difficile da accettare ma, a pensarci bene, non del tutto negativa. Il pensiero che, di fronte alle scelte più difficili di tutti i giorni, ogni possibile alternativa abbia l’opportunità di realizzarsi potrebbe essere in fondo rassicurante.
Il multiverso mi ha reso una persona più felice – commenta sempre su New Scientist Max Tegmark, fisico del Mit -. Mi ha dato, infatti, il coraggio di correre più rischi”. Ma come provare queste teorie e legarle a fenomeni fisici osservabili? Secondo Lisa Randall, prima donna a ottenere la cattedra di Fisica teorica alla Harvard University, una possibile strada è il legame con le ricerche sulla natura della forza di gravità. In base ai suoi studi, tra i più citati degli ultimi anni, gli altri universi, vicinissimi al nostro anche se invisibili, sarebbero immersi in uno spazio a più dimensioni, come un arcipelago di isole sparse nell’oceano. Su uno di questi isolotti sarebbero concentrate le particelle che trasportano, come fanno i fotoni con la luce, la forza di gravità. Si chiamano gravitoni e sarebbero gli unici in grado di saltare da un universo all’altro. Ma solo alcuni riuscirebbero a “visitare” il nostro universo. Ecco perché la forza di gravità ci appare così debole, poiché diluita su più universi, che la assorbono come una spugna. “Uno degli scopi dei miei studi è spiegare perché la forza di gravità è così debole in confronto alle altre forze fondamentali della natura – spiega la studiosa nel suo libro “Passaggi curvi” -. Un piccolo magnete, infatti, può attirare una graffetta, nonostante la Terra nella sua interezza eserciti su di essa la propria attrazione gravitazionale”.
Il battesimo sperimentale a queste ricerche teoriche potrebbe arrivare a partire dal prossimo anno, al Cern di Ginevra, con la riaccensione alla sua massima energia di Lhc, l’acceleratore di particelle più potente del mondo. Questa macchina, una pista magnetica di 27 chilometri capace di sondare la struttura più intima della materia, potrebbe essere in grado di vedere i gravitoni, fino ad ora mai osservati direttamente. “Con Lhc potremmo trovare particelle che non esistono più dai tempi del Big Bang, circa 14 miliardi di anni fa – sottolinea Randall -. Tra loro potrebbero essercene alcune che vivono solo su altre dimensioni, o persino su altri universi. La loro osservazione, quindi, sarebbe una prova importante dell’esistenza di altri mondi”. Queste particelle, infatti, lascerebbero una sorta d’impronta gravitazionale sul nostro universo. Come un’ombra che si allunga su un muro in un giorno assolato.
Come spesso accade nella scienza, gli studiosi vivono e si muovono ai bordi della conoscenza. “Non sappiamo come questi studi cambieranno la nostra percezione del mondo – afferma Randall -. Lo stesso Einstein non poteva prevedere che la sua teoria della Relatività avrebbe un giorno trovato applicazioni nel Gps. Esistono nell’universo molte regioni ancora inesplorate – aggiunge la studiosa -. Sapere cosa cercare è spesso difficile, ma questo non deve scoraggiare. Ciò che ancora non si conosce deve servire da stimolo per porsi nuovi interrogativi. È questo – conclude la scienziata di Harvard – che rende la scienza accattivante”.”