Gli scienziati dell’Università CY Cergy di Parigi e dell’Osservatorio di Parigi hanno sviluppato un nuovo dispositivo che permetterà di capire come si formano gli elementi costitutivi della vita nello spazio.
I risultati ottenuti sono stati pubblicati in un articolo apparso su Review of Scientific Instruments. Nel documento gli scienziati descrivono in dettaglio come il dispositivo chiamato VENUS – acronimo della frase francese Vers de Nouvelles Syntheses, che significa “verso nuove sintesi” – imita il modo in cui le molecole si uniscono nella gelida oscurità dello spazio interstellare.
“Cerchiamo di simulare come si formano complesse molecole organiche in un ambiente così duro“, ha detto Emanuele Congiu, uno degli autori e astrofisico dell’osservatorio. “Gli osservatori possono vedere molte molecole nello spazio. Quello che non capiamo ancora, o completamente, è come si siano formate in questo ambiente ostile”.
VENUS ha una camera progettata per replicare il vuoto ultra spinto dello spazio, mantenendo una temperatura di circa 10 kelvin o – 240° Celsius. Utilizza fino a cinque raggi per sparare atomi o molecole su un minuscolo frammento di ghiaccio senza disturbare quell’ambiente.
Questo processo, ha spiegato Congiu, riproduce il modo in cui si formano le molecole sul ghiaccio che si trova sopra minuscole particelle di polvere presenti all’interno delle nuvole interstellari. VENUS è il primo dispositivo a eseguire la replica con più di tre fasci, il che consente ai ricercatori di simulare interazioni più complesse.
Negli ultimi 50 anni, nelle regioni di formazione stellare sono state trovate quasi 200 specie molecolari diverse e gli scienziati ritengono che alcune di esse, le cosiddette specie prebiotiche, siano coinvolte nei processi che portano alla nascita delle prime forme di vita. Man mano che gas e polvere si condensano gradualmente in materia interstellare più fredda e più densa, i processi chimici iniziano a produrre molecole dal gas atomico. Sebbene le molecole delle dimensioni della formaldeide (H ₂ CO) esistano in nuvole diffuse, la produzione di molecole complesse sembra avvenire nelle regioni più dense, dove i campi UV sono notevolmente ridotti e le temperature sono inferiori a 15 K.
Un importantissimo utilizzo del dispositivo VENUS sarà quello di lavorare in concerto con scienziati che scoprono reazioni molecolari nello spazio ma necessitano di una comprensione più completa di ciò che hanno osservato.
Queste osservazioni saranno ampliate grazie al lancio del nuovo telescopio spaziale della NASA il James Webb Space Telescope, il più grande e potente telescopio spaziale mai lanciato, previsto per il 2021, amplierà le nostre conoscenze dell’universo.
Per questo il dispositivo VENUS potrà lavorare in concerto con i più potenti osservatori spaziali oggi in fase di sviluppo integrandone i dati e studiando le reazioni molecolari in laboratorio, proprio come ha spiegato Congiu affermando:
“Quello che possiamo fare in laboratorio in un giorno richiede migliaia di anni nello spazio. Il nostro lavoro in laboratorio può integrare la ricchezza di dati che proviene dagli osservatori spaziali. Altrimenti, gli astronomi non sarebbero in grado di interpretare tutte le loro osservazioni. I ricercatori che fanno osservazioni possono chiederci di simulare una certa reazione, per vedere se cosa pensano di vedere sia reale o no”.
Fonte: https://phys.org/news/2020-12-device-mimics-life-outer-space.html
 

L’elettricità e il magnetismo sono due delle manifestazioni della natura più note oggi studiate. Abbiamo sperimentato tutti o quasi l’effetto di uno shock statico in una secca giornata invernale, o abbiamo osservato come i magneti vincono la gravità. Conosciamo inoltre la combinazione delle due forze chiamata elettromagnetismo che permette trasmissioni radiofoniche e televisive, e tiene insieme gli  atomi e le molecole di cui siamo fatti.
Eppure, una nuova stima, eseguita da David Cassidy e dai colleghi dell’University College di Londra, nel Regno Unito, ha il potenziale per indurre i ricercatori a rivedere le teorie che raccontano come si comportano queste forze. I fisici hanno studiato il comportamento di un atomo esotico chiamato “positronio” e hanno trovato una differenza tra la previsione e la misurazione del livello di energia di una specifica transizione energetica. Il positronio è un atomo costituito esclusivamente da un elettrone e da un anti elettrone (la controparte di antimateria o positrone). Considerato che il positronio non è costituito da protoni o neutroni, non è influenzato dalla forza nucleare forte, e quindi è un laboratorio ideale per testare quanto sappiamo dell’elettromagnetismo.
La differenza tra il livello di energia previsto e quello misurato conduce a una differenza dello 0,1% nella frequenza delle microonde necessarie per spingere l’atomo a cambiare livello.
Per più di settant’anni, gli scienziati hanno pensato di possedere una comprensione molto precisa di come funzionano le forze elettriche e magnetiche.
Nel 1948 i fisici svilupparono una teoria chiamata elettrodinamica quantistica , o QED. La teoria combinava elettricità, magnetismo, meccanica quantistica e la teoria della relatività speciale di Einstein.
La teoria QED è stata pensata inizialmente per apportare piccole correzioni alle previsioni fatte da una precedente teoria elettromagnetica, chiamata Teoria di Dirac.
Il ricercatore Willis Lamb misurò gli atomi di idrogeno usando fasci di microonde. Scoprì che due transizioni atomiche che si aspettava fossero identiche, erano in realtà diverse. Diede notizia del suo risultato alla Shelter Island Conference, tenutasi nell’estate del 1948. La differenza era molto piccola, circa una parte su un milione. Un altro ricercatore, con l’insolito nome di Polykarp Kusch, scoprì che le proprietà magnetiche dell’elettrone (chiamato momento magnetico dell’elettrone) differivano dalle previsioni di circa lo 0,1%.
La teoria QED è in grado di prevedere correttamente sia la misurazione di Lamb sia quella di Kusch. La teoria di Dirac è stata accantonata e la nuova teoria QED è stata la teoria accettata dell’elettromagnetismo per oltre sette decenni. Sia la teoria che la misurazione sono state migliorate nel corso degli anni. La previsione e la misurazione del momento magnetico dell’elettrone ora concordano fino alla dodicesima cifra. La QED è una delle teorie testate con maggiore precisione in tutta la fisica moderna.
Questo la rende ancora più interessante nella misurazione del positronio effettuate da Cassidy e dai suoi collaboratori. Hanno usato la QED per fare le loro previsioni ed è stata osservata una discrepanza dello 0,1%. Per gli sperimentatori abituati alla precisione del QED, questo è un mistero sconcertante.
Naturalmente, misurare la frequenza di transizione per il positronio è molto complicato. Poiché il positronio è composto da un elettrone e da un positrone, si annichilisce in poche centinaia di miliardesimi di secondo. Inoltre, il positronio viene prodotto creando prima i positroni mediante potenti laser o fasci di particelle, quindi sparando i positroni su materiale contenente elettroni. Il risultato è un atomo di positronio con una quantità variabile di energia. Ciò rende la misurazione ancora più complessa.
Il gruppo di Cassidy ha utilizzato i laser per portare il positronio in uno stato con una durata prolungata utilizzando inoltre tecniche avanzate per raffreddare il positronio in modo che la sua energia fosse molto bassa. Infine, hanno utilizzato microonde a bassa potenza per indurre le transizioni. La bassa potenza assicurava che qualsiasi distorsione della misurazione dovuta al processo di misurazione stesso fosse molto piccola.
Il gruppo ha osservato che la frequenza necessaria per causare la transizione tra i livelli di energia è di circa lo 0,1% superiore a quella prevista dalla teoria QED.
Le ricerche non hanno una spiegazione. Un errore di calcolo è estremamente improbabile. È possibile un errore di misurazione, poiché il processo è difficile. Tuttavia, i ricercatori ritengono di comprendere i limiti del loro sistema e hanno riportato un’incertezza associata che riflette le prestazioni del loro apparato. La previsione e la misurazione sono in disaccordo in misura maggiore di quanto consentano le incertezze. Se i risultati reggono a ulteriori studi, significa che è necessaria una nuova fisica per spiegare la discrepanza.
Gli scienziati sono consapevoli di un’altra interessante possibile discrepanza tra la misurazione e le previsioni della teoria QED. Questa discrepanza emerge negli studi sulle proprietà magnetiche del muone, che è un cugino pesante e instabile dell’elettrone. Nel 2001, i ricercatori del Brookhaven National Laboratory hanno effettuato misurazioni molto precise del momento magnetico del muone, indicato con 12 cifre di accuratezza. La previsione è altrettanto precisa. le due proprietà sono in disaccordo per una quantità molto piccola, ma più grande di quanto le incertezze possano spiegare.
Questa discrepanza è un’opportunità per la fisica. Una nuova misurazione delle proprietà magnetiche del muone è in corso presso il Fermi National Accelerator Laboratory. Questa misurazione dovrebbe essere più precisa di quella effettuata al Brookhaven. Inoltre, si prevede che il gruppo di ricerca annuncerà i propri risultati probabilmente all’inizio del 2021.
Data la precisione della QED, la recente discrepanza nella misurazione del positronio e la discrepanza nota da tempo nelle proprietà magnetiche dei muoni sono molto interessanti per gli scienziati. Se confermati, uno o entrambi potrebbero portare gli scienziati verso una nuova fisica. Considerato il successo delle attuali teorie sulla fisica delle particelle, la prospettiva che potremmo essere vicini a un progresso nella comprensione delle leggi dell’universo significa che gli scienziati stanno aspettando con impazienza il prossimo annuncio.
Fonte: https://www.forbes.com/sites/drdonlincoln/2020/12/14/exotic-form-of-matter-challenges-the-laws-of-physics/

Oggi il modello standard delle particelle è la via più battuta più nel tentativo di spiegare la materia oscura, anche se i fisici non hanno ancora rilevato nessuna particella per confermare o smentire l’efficacia del modello. Altri teorici esplorano teorie alternative sulla gravità per spiegare l’esistenza di questo tipo sfuggente di materia. Per ovviare alla necessità della materia oscura, tuttavia, queste teorie dovrebbero essere allineate con le osservazioni cosmologiche raccolte finora.
La sostanza della materia oscura è ancora ignota. Essa può avere ingredienti diversi: una componente di tipo barionico (materia ordinaria) e una componente di tipo non barionico.
La componente barionica, costituita da oggetti massicci ma non luminosi, può essere composta da pianeti, nane bianche, nane brune, stelle di neutroni e buchi neri. Questi oggetti prendono il nome di MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects o Oggetti astrofisici massicci e compatti di alone) ed emettono una quantità di luce insufficiente per poter essere osservati. Questi oggetti possono però essere rilevati attraverso un effetto chiamato lente gravitazionale. Le osservazioni attuali indicano che la materia oscura barionica presente nell’universo può contribuire per una piccolissima percentuale alla Materia Oscura.
La componente non barionica è invece costituita da particelle non ancora rilevate. Si ritiene che possa trattarsi di particelle supersimmetriche quali neutralini, o neutrini massicci o particelle mai osservate che rispondono solo alla forza gravitazionale e all’interazione nucleare debole. Queste particelle, note con il nome di WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles = particelle massive debolmente interagenti), sono molto massive (100 volte più pesanti di un protone o più), ma interagiscono debolmente con la materia. Queste particelle vagherebbero nell’universo, addensandosi in prossimità delle galassie a causa dell’attrazione gravitazionale. Le WIMPs sono particelle previste da alcune teorie (per esempio la supersimmetria), ma non ancora osservate neanche nei più potenti acceleratori oggi a disposizione della scienza.
Di recente, due ricercatori del Jet Propulsion Laboratory (JPL) e della Princeton University hanno condotto uno studio volto a comprendere meglio quali punti dovrebbero affrontare le teorie della gravità alternative per sostenere l’esistenza della materia oscura nell’universo. Il loro articolo, pubblicato su Physical Review Letters, traccia una serie di vincoli che potrebbero permettere di determinare la potenziale validità delle teorie alternative sulla gravità.
Il modello cosmologico standard, ΛCDM (dove CDM sta per Cold Dark Matter, ossia Materia Oscura Fredda e Λ (lambda)e la costante cosmologica che è l’energia oscura rappresentata dall’energia del vuoto), spiega come l’universo attuale si è sviluppato dal fondo cosmico a microonde (CMB), tessendo una “tela” dello sviluppo dell’universo dalla sua origine fino ai giorni nostri. L’evoluzione della struttura della CMB in galassie e nell’attuale struttura della rete cosmica potrebbe essere giustificata dall’esistenza della materia oscura fredda (CDM).
Kris Pardo, uno dei ricercatori che ha partecipato allo studio, ha detto a Phys.org:
“Volevamo vedere se potevamo utilizzare i dati CMB e i dati della galassia disponibili oggi per porre alcuni vincoli su come dovrebbe comportarsi una teoria della gravità alternativa per spiegare la materia oscura.Fondamentalmente, se è effettivamente qualche gravità alternativa che è responsabile della materia oscura, allora dovrebbe essere in grado di spiegare esattamente come si evolve la materia normale dalla CMB ad oggi”.
Il concetto di fondo dello studio condotto da Pardo e dal suo collega David N. Spergel è già stato indagata da altri ricercatori, tra cui Scott Dodelson del Kavli Institute for Cosmological Physics in un articolo pubblicato nel 2011. Nondimeno, Pardo e Spergel sono stati i primi a quantificare effettivamente la funzione che riassume questa idea.
Come ha spiegato Pardo:
“Abbiamo dimostrato che qualsiasi teoria che cerchi di spiegare la materia oscura cambiando la gravità (anziché avere una nuova particella) avrebbe bisogno di avere una forma molto particolare. In effetti, questa forma sarebbe così unica che probabilmente porterebbe ad alcuni movimenti piuttosto folli delle galassie vicino a noi, di cui non vediamo le prove. Quindi la spiegazione più semplice per la materia oscura è che si tratta di una particella”.
L’attuale studio di Pardo e Spergel ha fissato nuove restrizioni sulle qualità specifiche che le teorie alternative sulla gravità dovrebbero avere per sostenere l’esistenza della materia oscura. È interessante notare che i ricercatori hanno scoperto che nessuna delle teorie sulla gravità proposte finora soddisfa queste restrizioni, il che suggerisce che se la materia oscura può essere spiegata da tali teorie, una teoria valida non è stata ancora sviluppata. In futuro, il lavoro di Pardo e Spergel potrebbe aggiornare lo sviluppo di teorie sulla gravità alternativa più in linea con le osservazioni cosmologiche.
“Nel nostro studio, abbiamo ipotizzato che la teoria della gravità alternativa dovesse essere ‘lineare'”, ha detto Pardo. “Stiamo ora esaminando come estenderlo a teorie non lineari”.
Fonte: https://phys.org/news/2020-12-constraints-alternative-gravity-theories-dark.html

La fisica è essenzialmente una disciplina empirica e quantitativa. Qualunque teoria matematica prima o poi deve essere sottoposta ad una conferma sperimentale prima che sia accettata in modo incontestabile (per quanto questo termine abbia un significato relativo tra gli scienziati) dalla comunità scientifica.
Altrimenti rimaniamo nell’alveo delle pur ben costruite speculazioni teoriche. Stephen Hawking non ha vinto il Nobel per la sua scoperta negli anni Settanta del fenomeno noto come “radiazione di Hawking” poiché nessuno ha potuto confermare sperimentalmente la sua pur brillante costruzione teorica. Ed il Premio Nobel è assegnato soltanto a teorie o scoperte confermate sperimentalmente.
Peter Higgs ottenne il Nobel soltanto nel 2013 per la sua teoria che prevedeva l’esistenza del bosone che porta il suo nome formulata cinquanta anni prima. Higgs ha dovuto aspettare la conferma sperimentale del CERN avvenuta nel 2012 per ricevere l’ambito e meritato riconoscimento.
Insomma il cuore della fisica è strettamente ancorato alla sperimentazione e quindi alle misure dei fenomeni che sottostanno alla vita del nostro universo. Ad orientare i fisici nelle loro ricerche teoriche e sperimentali sono tre concetti cardine di questa disciplina. Una vera e propria “sacra trimurti”: universalità, simmetria e riduzionismo.
La prima “legge universale” è stata quella sulla gravità scoperta da Isaac Newton (e per la verità in qualche misura anticipata da Robert Hooke). In sostanza Newton affermò che il comportamento degli oggetti sottoposti alla gravità, qui sulla Terra, è uguale a quello della Luna attorno alla Terra, dei pianeti attorno al Sole, e del Sole attorno al centro della Via Lattea.
La teoria della relatività generale di Einstein migliorò la predittività di quella di Newton che però funziona benissimo ancora oggi, tanto è che tutta l’esplorazione spaziale si basa ancora sulle formule matematiche del grande fisico inglese.
Semmai la teoria di Einstein mostra un’universalità ancora più stupefacente di quella newtoniana riguardando oltre che lo spazio anche il tempo. La teoria della relatività di Einstein si applica egualmente bene sui più piccoli e i più lunghi intervalli di tempo.
Fin qui abbiamo usato il termine universale intendendo come determinati fenomeni fisici valgono nello stesso modo in qualunque parte dell’universo. In ambito della fisica statistica, il termine universalità introdotto dal fisico americano Leo Kadanoff si riferisce ad una classe di sistemi fisici che non dipendono dai dettagli della loro struttura o dinamica, ma si possono invece dedurre da pochi parametri globali.
Questo paradigma della fisica però non è assoluto. Sappiamo che su lunghezze estremamente piccole e su intervalli di tempo brevissimo la fisica classica non funziona più ed entra in campo la meccanica quantistica. La stessa definizione di tempo tra relatività generale e meccanica quantistica è diversa.
Il secondo elemento della “sacra trimurti” è la simmetria. Ad un livello “grossolano” ognuno di noi può comprendere questo concetto. Un quadrato è simmetrico perché se lo ruotiamo di 90° otteniamo lo stesso risultato e così dicasi per una sfera. In fisica però la simmetria va ben oltre le invarianze geometriche.
Quando i fisici dicono che un sistema fisico ha una certa simmetria, intendono dire che una certa proprietà di quel sistema rimane la stessa quando qualcos’altro cambia. Si hanno simmetrie globali quando le leggi della fisica rimangono le stesse al cambiare di qualche altra cosa. Nel 1915, in piena guerra, la matematica tedesca Emmy Noether scoprì il legame tra simmetrie di un sistema fisico e quantità conservate. Esempi importanti sono la quantità di moto se il sistema ha una simmetria per traslazioni spaziali, il momento angolare per sistemi invarianti per rotazioni e l‘energia per le simmetrie temporali.
Una di queste simmetrie matematiche è stata definita “supersimmetria“. Si tratta ancora di un costrutto teorico e non sappiamo se effettivamente fa parte di una proprietà reale della natura. Se lo fosse probabilmente farebbe luce, fra l’altro, sulla materia oscura e se la teoria delle stringhe è la candidata giusta per unificare la gravità e la meccanica quantistica.
Sfortunatamente la supersimmetria prevede un certo numero di particelle subatomiche ancora mai rilevate. Come per il concetto di universalità anche le simmetrie hanno la loro eccezione. I fisici hanno teorizzato la cosiddetta “rottura della simmetria“, Ma cos’è la rottura della simmetria?
In fisica la rottura spontanea di simmetria è un fenomeno fisico in cui la perdita nahttps://it.wikipedia.org/wiki/Fisicaturale di simmetria di un sistema non avviene a livello fondamentale, rimanendo valida nelle equazioni che lo governano. A fini esplicativi si usa anche il termine simmetria nascosta.
Il fenomeno è presente estesamente in meccanica classica ed in meccanica quantistica relativamente alla teoria quantistica dei campi. La rottura di simmetria ha aiutato i fisici a capire i componenti fondamentali della materia, cioè le particelle elementari e le forze che le legano.
L’ultimo elemento della “sacra trimurti” è il riduzionismo. In epistemologia il termine riduzionismo rispetto a qualsiasi scienza sostiene che gli enti, le metodologie o i concetti di tale scienza debbano essere ridotti al minimo sufficiente a spiegare i fatti della teoria in questione. In questo senso il riduzionismo può essere inteso come un’applicazione del cosiddetto “rasoio di Occam” secondo cui non bisogna aumentare senza necessità le entità coinvolte nella spiegazione di un fenomeno.
Questa idea risale al filosofo greco Democrito, padre dell’atomismo. In fisica il riduzionismo cerca di determinare i costituenti fondamentali della materia ma anche in questo caso, è evidente il tallone d’Achille di questo concetto, che pur non minandone la validità complessiva, pone dei limiti a quanto possiamo apprendere da una sua applicazione generalizzata.
Prendiamo ad esempio l’acqua. Si possono certamente studiare tutte le proprietà di una molecola di H2O: la geometria dei legami tra atomi di ossigeno e idrogeno e le regole quantistiche che li governano, il modo in cui le molecole d’acqua stanno insieme e si dispongono, e così via. Ma non riusciremmo mai, guardando solo ai costituenti a livello molecolare, a dedurre la proprietà dell’acqua di essere bagnata. Questa proprietà «emergente» diviene evidente solo quando trilioni di molecole d’acqua si presentano tutte insieme.
Il fatto che esistano emergenze come il calore, la pressione o il bagnato che non possiamo spiegare a livello dei costituenti fondamentali della materia non implica che un sistema sia più della somma delle sue parti, a patto che queste proprietà emergenti siano anch’esse costruite su concetti ancora più basilari, come le forze elettromagnetiche tra particelle subatomiche, nel caso dell’acqua.
Fonti: alcune voci di Wikipedia, Il mondo secondo la fisica di J. Al Khalili