Anche se sembra non avere senso, la risposta è sia che potresti viaggiare per sempre, sia anche che qualcosa ti fermerebbe. La chiave sta nella comprensione dell’Universo in espansione, che di per sé è uno dei concetti più sbalorditivi di tutti.

1. quando una sorgente e l’osservatore si allontanano relativamente l’uno dall’altro,
2. quando la luce emessa deve uscire da un grande pozzo gravitazionale,
3. quando lo spazio tra due oggetti si espande durante il viaggio della luce.

1. L’Universo potrebbe essere finito e chiuso, indipendentemente dalla sua curvatura. Se hai viaggiato abbastanza a lungo nella stessa direzione, alla fine tornerai al punto di partenza. Anche se lo spazio stesso è topologicamente strano, come una striscia di Möbius o una bottiglia di Klein, puoi semplicemente andare avanti e alla fine tornerai dove è iniziato il tuo viaggio.
2. Oppure l’Universo potrebbe essere infinito e aperto, di nuovo, indipendentemente dalla sua curvatura. Non importa quanto lontano viaggi in qualsiasi direzione, o quanto tempo hai trascorso in quel viaggio, incontrerai sempre un “nuovo spazio” che non avevi mai incontrato prima. Non ci sarebbe nulla a fermarti, e tuttavia, nulla a consentirti di tornare al punto in cui hai iniziato, a parte girarti e invertire il tuo viaggio.

1. L’effetto gravitante potrebbe essere più potente dell’attuale espansione, il che significherebbe che l’Universo si espanderà per un certo tempo, raggiungerà una dimensione massima, quindi invertirà le direzioni, contraendosi e potenzialmente anche finendo in un “Big Crunch” proprio come abbiamo iniziato con un “Big Bang”.
2. L’effetto gravitante potrebbe essere meno potente dell’attuale espansione, il che significa che l’Universo si espanderà per sempre, anche se il tasso di espansione potrebbe continuare a rallentare.
3. L’effetto della gravitazione e l’espansione iniziale potrebbero bilanciarsi perfettamente, il che significa che il tasso di espansione asintoterà a zero, ma non si invertirà mai.

• l’Universo si sta espandendo,
• l’energia oscura sta facendo accelerare l’espansione,
• sono già passati 13,8 miliardi di anni dal Big Bang,
• e l’Universo non si ripete e non è finito su scale inferiori a ~46 miliardi di anni luce,

Un team di ricercatori affiliato a diverse istituzioni in Israele ha utilizzato un rivelatore quantistico Floquet per vincolare la materia oscura simile a un assione, sperando di ridurre lo spazio dei suoi parametri. Nel loro articolo pubblicato sulla rivista Science Advances, il gruppo descrive il loro approccio per vincolare la particella teorica di materia oscura come mezzo per saperne di più sulle sue proprietà.

La materia oscura rimane un mistero

Nonostante diversi anni di sforzi da parte dei fisici di tutto il mondo, la materia oscura rimane un mistero. La maggior parte dei fisici concorda sul fatto che esista, ma finora nessuno è stato in grado di dimostrarlo. Una teoria promettente che coinvolge l’esistenza di particelle massicce interagenti ha iniziato a perdere la sua lucentezza e alcuni team stanno cercando qualcos’altro.

In questo nuovo sforzo, i ricercatori cercano assioni o particelle simili ad assioni. È stato teorizzato che tali particelle di materia oscura siano a rotazione zero e in grado di possedere un numero qualsiasi di combinazioni di massa e forza di interazione. Il team ha cercato di limitare le caratteristiche delle particelle simili ad assioni per ridurre il numero di possibilità della loro esistenza e quindi aumentare le possibilità di dimostrarne l’esistenza.

I ricercatori hanno utilizzato una cella di vetro schermata riempita con atomi di rubidio-85 e xeno-129. Hanno sparato due laser sulla cellula, uno per polarizzare lo spin elettronico degli atomi di rubidio e lo spin nucleare dello xeno, e l’altro per misurare i cambiamenti di spin. L’esperimento si basava sull’idea che il campo oscillante degli assioni avrebbe avuto un impatto sulla rotazione dello xeno quando si trovavano in prossimità. I ricercatori hanno quindi applicato un campo magnetico alla cellula come mezzo per bloccare la rotazione dello xeno all’interno di un ristretto intervallo di frequenze, consentendo loro di scansionare le possibili frequenze di oscillazione che corrispondono all’intervallo delle particelle simili a assioni.

In questo scenario, si teorizza che il campo di Floquet abbia una frequenza approssimativamente uguale alla differenza tra la risonanza magnetica nucleare(NMR) e la risonanza paramagnetica degli elettroni, e il loro esperimento colma questa lacuna.

I ricercatori hanno effettuato il loro esperimento 3.000 volte in cinque mesi, aggiungendo ogni volta al campo NMR. Non hanno trovato alcun segno di materia oscura, ma hanno limitato il limite superiore dell’accoppiamento di particelle simili ad assioni, un ulteriore passo verso la dimostrazione dell’esistenza della materia oscura.

Quello del Redshift è un concetto chiave per gli astronomi. Il termine può essere inteso letteralmente: significa che, con l’aumentare della distanza, la lunghezza d’onda della luce si allunga, quindi la luce è vista come “spostata” verso la parte rossa dello spettro.

Qualcosa di simile al redshift accade alle onde sonore quando una sorgente sonora si muove rispetto a un osservatore. Questo effetto è chiamato “effetto Doppler” dal nome di Christian Andreas Doppler, un matematico austriaco che scoprì che la frequenza delle onde sonore cambia se la sorgente del suono e l’osservatore si muovono l’uno rispetto all’altro.

Se i due si stanno avvicinando, la frequenza udita dall’osservatore è più alta; se si allontanano l’uno dall’altro, la frequenza ascoltata è più bassa.

Ci sono molti esempi quotidiani dell’effetto Doppler: il tono mutevole delle sirene della polizia e delle ambulanze, o i fischietti dei treni e i motori delle auto da corsa mentre passano. In ogni caso, c’è un cambiamento udibile di intonazione quando la sorgente si avvicina e poi oltrepassa un osservatore.

Tutti hanno sentito il tono aumentato di una sirena della polizia in avvicinamento e il brusco calo del tono mentre la sirena passa e si allontana. L’effetto nasce perché le onde sonore arrivano all’orecchio dell’ascoltatore più vicine tra loro quando la sorgente si avvicina e più distanti quando si allontana.

La luce si comporta come un’onda, quindi la luce di un oggetto luminoso subisce uno spostamento simile all’effetto Doppler, appunto il redshift, se la sorgente si muove rispetto a noi. Sin dal 1929, quando Edwin Hubble scoprì che l’Universo si sta espandendo, sappiamo che la maggior parte delle altre galassie si sta allontanando da noi. La luce di queste galassie ci arriva spostata su lunghezze d’onda più lunghe (e questo significa più rosse), in altre parole, viene “spostata verso il rosso” generando quello che in astronomia viene definito redshift.

Poiché la luce viaggia a una velocità così grande rispetto ai fenomeni quotidiani (un milione di volte più veloce del suono), non sperimentiamo questo spostamento verso il rosso nella nostra vita quotidiana.

Lo spostamento verso il rosso di una galassia lontana o di un quasar può essere facilmente misurato confrontando il suo spettro con uno spettro di laboratorio di riferimento. Le righe di emissione e assorbimento atomico si verificano a lunghezze d’onda ben note. Misurando la posizione di queste righe negli spettri astronomici, gli astronomi possono determinare lo spostamento verso il rosso delle sorgenti che si allontanano.

Tuttavia, per essere precisi, gli spostamenti verso il rosso osservati in oggetti distanti non sono esattamente dovuti al fenomeno Doppler, ma sono piuttosto il risultato dell’espansione dell’Universo.

Gli spostamenti Doppler derivano dal movimento relativo della sorgente e dell’osservatore attraverso lo spazio, mentre gli spostamenti verso il rosso astronomici sono “spostamenti verso il rosso di espansione” dovuti all’espansione dello spazio stesso, cioè alla dilatazione del tessuto dello spazio-tempo che si interpone tra due oggetti nel tempo che la luce impiega a percorrere la distanza dall’uno all’altro.

Due oggetti possono effettivamente essere stazionari nello spazio e subire comunque uno spostamento verso il rosso se lo spazio intermedio stesso si sta espandendo.

Un’analogia classica utilizzata per spiegare l’espansione dell’Universo e l’allontanamento delle galassie con il conseguente redshift è una pagnotta di pane all’uvetta non cotto. Prima che l’impasto lieviti, i chicchi di uvetta sono a riposo l’uno rispetto all’altro. Man mano che l’impasto lievita, però, si espande anche, facendo aumentare lo spazio tra i chicchi di uvetta.

Se l’uvetta potesse vedere, osserverebbe che tutte le altre uvette si stanno allontanando tra loro sebbene esse stesse non si stiamo muovendo all’interno della pagnotta. È solo l’impasto – il loro “Universo” – che si sta espandendo.

Immagine di copertina per gentile concessione di DepositPhotos

Gli scienziati dell’Università di Chicago sono stati in grado di creare un nuovo tipo di oggetto quantistico in laboratorio: i “muri di dominio“. La scoperta può aiutare i ricercatori a comprendere meglio le particelle quantistiche esotiche e potrebbe suggerire strade per nuove tecnologie in futuro, come l’elettronica quantistica o la memoria quantistica.

Pubblicata sulla rivista Nature, la ricerca è stata condotta nel laboratorio del Prof. Cheng Chin, che studia i nuovi sistemi quantistici e la fisica che ne sta alla base. In uno dei loro esperimenti, gli scienziati di Chicago hanno notato un evento intrigante negli atomi a temperature estremamente basse. Nelle giuste condizioni, gruppi di atomi possono separarsi in domini e formare un “muro” all’incrocio in cui si sono incontrati. Questi muri di dominio si comportano come un oggetto quantistico indipendente.

“È un po’ come una duna di sabbia nel deserto: è composta da sabbia, ma la duna si comporta in maniera indipendente rispetto ai singoli granelli di sabbia”, ha affermato lo studente Ph.D. Kai-Xuan Yao, il primo autore dello studio.

I muri di dominio: fenomeni “emergenti”

Muro di dominio è un termine usato in fisica che può avere significati simili in magnetismo, ottica, o teoria delle stringhe. Tutti questi fenomeni possono essere genericamente descritti come solitoni topologici che si verificano ogni volta che la discreta simmetria si rompe spontaneamente.

Nel magnetismo, un muro di dominio è un’interfaccia che separa domini magnetici. È una transizione tra diversi magnetici momenti e di solito subisce un spostamento angolare di 90° o 180°. Un muro di dominio è un riorientamento graduale dei momenti individuali. Lo spessore della parete del dominio dipende dall’anisotropia del materiale, ma in media si estende su circa 100-150 atomi.

L’energia di un muro di dominio è semplicemente la differenza tra i momenti magnetici prima e dopo la creazione del muro di dominio. Questo valore è solitamente espresso come energia per unità di superficie della parete.

La larghezza del muro del dominio varia a causa delle due energie opposte che lo creano: l’anisotropia magnetocristallina e l’energia di scambio (), tendono ad essere il più bassi possibile in modo da trovarsi in uno stato energetico più favorevole. L’energia di anisotropia è più bassa quando i singoli momenti magnetici sono allineati con gli assi del reticolo cristallino, riducendo così la larghezza della parete del dominio. Viceversa l’energia di scambio si riduce quando i momenti magnetici sono allineati parallelamente tra loro e quindi rende la parete più spessa, per la repulsione tra di loro (dove un allineamento antiparallelo li avvicinerebbe, lavorando per ridurre lo spessore della parete). Alla fine viene raggiunto un equilibrio tra i due e la larghezza del muro del dominio viene impostata come tale.

Un muro di dominio ideale sarebbe completamente indipendente dalla posizione, ma le strutture non sono ideali e quindi rimangono bloccate sui siti di inclusione all’interno del mezzo, noto anche come difetti cristallografici. Questi includono atomi mancanti o diversi (estranei), ossidi, isolanti e persino sollecitazioni all’interno del cristallo. Ciò impedisce la formazione di pareti di dominio e inibisce anche la loro propagazione attraverso il mezzo. Pertanto è necessario un campo magnetico applicato maggiore per superare questi siti.

Si noti che le pareti del dominio magnetico sono soluzioni esatte alle equazioni non lineari classiche dei magneti (Modello Landau – Lifshitz, equazione di Schrödinger non lineare e così via).

Gli scienziati avevano intravisto i muri di dominio nei materiali quantistici, ma in precedenza non potevano generarle e analizzarle in modo affidabile. Una volta che i fisici dell’università di Chicago hanno creato la ricetta per realizzare e studiare da vicino le pareti, hanno osservato comportamenti sorprendenti.

“Abbiamo molta esperienza nel controllo degli atomi”, ha affermato Chin del Dipartimento di Fisica del James Franck Institute e nell’Enrico Fermi Institute. “Sappiamo che se spingi gli atomi a destra, si sposteranno a destra. Ma qui, se spingi i muri di dominio a destra, si sposteranno a sinistra”.

Questi muri di dominio fanno parte di una classe nota come fenomeni “emergenti“, il che significa che sembrano seguire nuove leggi della fisica come risultato di molte particelle che agiscono insieme come un collettivo.

Il laboratorio di Chin studia questi fenomeni emergenti, credendo che possano far luce su un insieme di leggi chiamate teoria di gauge dinamica, che descrive altri fenomeni emergenti nei materiali così come nell’universo primordiale; gli stessi fenomeni probabilmente tenevano insieme le prime particelle mentre si aggregavano per formare galassie, stelle e pianeti.

Le scoperte in questo campo potrebbero anche consentire la nuova tecnologia quantistica. Gli scienziati sono interessati a catalogare questi comportamenti in parte perché possono diventare la base della tecnologia futura: come ad esempio, la base del moderno GPS deriva dagli scienziati negli anni ’50 che cercavano di testare la teoria della relatività di Einstein.

“Potrebbero esserci applicazioni per questo fenomeno in termini di creazione di materiale quantistico programmabile o processore di informazioni quantistiche: può essere utilizzato per creare un modo più robusto per archiviare informazioni quantistiche o abilitare nuove funzioni nei materiali”, ha affermato Chin. “Ma prima di poterlo scoprire, il primo passo è capire come controllarli”.