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L’universo e’ stabile, instabile o meta-stabile?

25 Mar

Negli ultimi articoli, complici anche i tantissimi commenti e domande fatte, siamo tornati a parlare di ricerca e delle ultime misure scientifiche che tanto hanno fatto discutere. Come fatto notare pero’, molto spesso, queste discussioni che dovrebbero essere squisitamente scientifiche lasciano adito ad articoli su giornali, anche a diffusione nazionale, che male intendono o approfittano del clamore per sparare sentenze senza senso e, lasciatemelo dire, assolutamente fuori luogo.

In particole, nell’articolo precedente, abbiamo discusso l’ultima misura della massa del quark top ottenuta mediante la collaborazione dei fisici di LHC e del Tevetron. Questo risultato e’ il piu’ preciso mai ottenuto prima e ci consente, di volta in volta, di migliorare la nostra conoscenza, come spesso ripeto, sempre troppo risicata e assolutamente lontana dalla comprensione del tutto.

Per discutere la misura della massa del top, siamo partiti da una notizia apparsa sui giornali che parlava di un universo pronto a dissolversi da un istante all’altro. Premesso che, come fatto notare, questa notizia era completamente campata in aria, su suggerimento di una nostra cara lettrice, ci e’ stato chiesto di discutere con maggior dettaglio quello che molti chiamano il destino ultimo del nostro universo. Come forse avrete sentito, su alcune fonti si parla spesso di universo stabile, instabile o meta-stabile farfugliando, nel vero senso della parola, come questa particolarita’ sia legata alla massa di qualche particella.

Cerchiamo dunque di spiegare questo importante e non banale concetto cercando sempre di mantenere un approccio quanto possibile divulgativo.

Per prima cosa, dobbiamo tornare a parlare del bosone di Higgs. Come forse ricorderete, in un articolo specifico:

Bosone di Higgs, ma che sarebbe? 

abbiamo gia’ affrontato la sua scoperta, cercando in particolare di spiegare il perche’ l’evidenza di questa particella sarebbe cosi’ importnate nell’ambito del modello standard e della fisica delle alte energie. Come fatto notare pero’, anche in questo caso, parliamo ancora di “evidenza” e non di “scoperta”. Visto che me lo avete chiesto direttamente, ci tengo a sottolineare questa importante differenza.

Come sapete, la fisica e’ detta una “scienza esatta”. Il motivo di questa definizione e’ alquanto semplice: la fisica non e’ esatta perche’ basata su informazioni infinitamente esatte, ma perche’ ogni misura e’ accompagnata sempre da un’incertezza esattamente quantificata. Questa incertezza, e’ quella che comunemente viene chiamato “errore”, cioe’ il grado di confidenza statistico che si ha su un determinato valore. Per poter parlare di evidenza, e’ necessario che la probabilita’ di essersi sbagliati sia inferiore di un certo valore, ovviamente molto basso. Per poter invece gridare alla scoperta, la probabiita’ statistica che quanto misurato sia un errore deve essere ancora piu’ bassa. Questo grado di confidenza, ripeto prettamente statistico, e’ quello che spesso sentiamo valutare riferendosi alla “sigma” o “all’incertezza”.

Bene, tornando al bosone di Higgs, perche’ si dice che ancora non c’e’ la sicurezza che quanto osservato sia proprio quell’Higgs che cerchiamo? Semplice, il grado di confidenza, non ci consente ancora di poter affermare con sicurezza statistica che la particella osservata sia proprio il bosone di Higgs che cerchiamo e non “un” bosone di Higgs o un’altra particella. Come ormai sappiamo, il bosone di Higgs tanto cercato e’ proprio quello relativo al campo di Higgs che determina la massa delle particelle. Per poter essere quel bosone, la particella deve essere, in particolare, scalare e con spin zero. Che significa? Praticamente, queste sono le caratteristiche che definiscono l’identikit dell’Higgs che cerchiamo. Se per quanto riguarda il fatto di essere scalare siamo convinti, per lo spin della particella, dal momento che decade in due fotoni, potrebbe avere spin 0 o 2. Per poter essere sicuri che lo spin sia proprio zero, sara’ necessario raccogliere ancora piu’ dati per determinare con sicurezza questa proprieta’ anche se statisticamente possiamo escludere con una certa incetezza che lo spin sia 2.

Detto questo, e supposto, con una buona confidenza statistica, che quanto trovato sia proprio il bosone di Higgs, sappiamo che la massa trovata per questa particella e’ 125.6 GeV con un un’incertezza totale di 0.4 GeV. Questo valore della massa ha pero’ aperto le porte per una discussione teorica molto accesa e di cui si inizia a parlare anche sui giornali non prettamente scientifici.

Perche’?

Come anticipato, la massa del bosone di Higgs determina la condizione di stabilita’ o instabilita’ del nostro universo. Perche’ proprio l’Higgs? Ovviamente, questo bosone e’ correlato con il campo scalare di Higgs, cioe’ quello che assegna la massa delle particelle. Ora pero’, nel modello standard, troviamo particelle che hanno masse anche molto diverse tra loro. Se osserviamo i quark, passiamo dall’up, il piu’ leggero, al top, il piu’ pesante, con una differenza di massa veramente enorme per particelle che appartengono alla stessa “famiglia”. Detto questo, per determinare la condizione di equilibrio, e tra poco spiegheremo cosa significa, del nostro universo, e’ possibile ragionare considerando proprio le masse dell’Higgs e del top.

In che modo?

Senza spendere troppe parole, vi mostro un grafico molto significativo:

 

Stabilita' dell'universo data dalla correlazione delle masse Top-Higgs

Stabilita’ dell’universo data dalla correlazione delle masse Top-Higgs

Cosa significa questo grafico? Come potete vedere, incrociando il valore della massa del top con quella dell’Higgs e’ possibile capire in quale zona ci troviamo, appunto: stabile, instabile o meta-stabile. Scientificamente, queste sono le condizioni in cui puo’ trovarsi quello che e’ definito vuoto quantomeccanico dell’universo. Se l’universo fosse instabile, allora sarebbe transitato in una successione di stati diversi senza poter formare strutture complesse dovute all’evoluzione. Come potete facilmente capire, in questo caso, noi oggi non saremo qui ad interrogarci su come e’ fatto l’universo dal momento che non avremmo avuto neanche la possibilita’ di fare la nostra comparsa. In caso di universo stabile invece, come il termine stesso suggerisce, tutto rimane in uno stato stazionario senza grosse modificazioni. Meta-stabile invece cosa significa? Questo e’ un termine ricavato direttamente dalla termodinamica. Detto molto semplicemente, un sistema meta-stabile si trova in una posizione di minimo di energia non assoluto. Cioe’? Detto in altri termini, il sistema e’ in uno stato di equilibrio, ma sotto particolari condizioni puo’ uscire da questo stato e scendere verso qualcosa di piu’ stabile ancora. Per capirlo meglio, immaginate di mettere una scodella sul pavimento con dentro una pallina. Se muovete di poco la pallina questa oscillera’ e ricadra’ sul fondo, posizione di equilibrio meta-stabile. Se date un colpo piu’ forte, la pallina uscira’ dalla scodella e andra’ sul pavimento. A questo punto pero’ il vostro sistema immaginario ha raggiunto la posizione piu’ stabile.

Ora, capite bene quanto sia importante e interessante capire che tipo di sistema e’ il nostro universo per determinare eventuali e future evoluzioni temporali che potrebbero avvenire. Come visto nel grafico precedente, per capire lo stato dell’universo possiamo valutare le masse del top e dell’Higgs.

Cosa otteniamo con i valori delle masse oggi conosciuti? Come potete vedere, come per un simpatico scherzo, la massa dell’Higgs ci posizione proprio nella strettissima zona di meta-stabilita’ del nostro universo. Come anticipato, il fatto di non essere nella zona di instabilita’ e’ assolutamente comprensibile pensando al fatto che noi oggi siamo qui. Certo, una massa superiore a 126 GeV ci avrebbe piazzato nella zona stabile dove, come si dice nelle favole, “vissero felici e contenti”. Cosa comporta il fatto di essere nella regione di meta-stabilita’? Come qualcuno, incurante della scienza, cerca di farvi credere, siamo in bilico su una corda. Il nostro universo da un momento all’altro potrebbe transitare verso uno stato piu’ stabile modificando radicalmente le proprieta’ del vuoto quantomeccanico. In questo caso, il nostro universo collasserebbe e segnebbe la nostra fine.

E’ vero questo?

Assolutamente no. Prima di tutto, cerchiamo di ragionare. Come detto, la massa attuale del bosone di Higgs e’ 125.6+/-0.4 GeV. Questo significa che entro una certa probabilita’, piu’ del 15%, la massa del bosone potrebbe essere maggiore di 126 GeV. In questo caso la misura sarebbe pienamente della regione “stabile” dell’universo. Ovviamente, per poter determinare con precisione questo valore e’ necessario ridurre l’incertezza che accompagna la misura in modo da “stringere” l’intervallo entro cui potrebbe essere compresa questa massa.

Se anche l’universo fosse in uno stato meta-stabile, non possiamo certo pensare che da un momento all’altro questo potrebbe uscire dallo stato di equilibrio e transitare verso altro se non in particolari condizioni. Vi ripeto nuovamente come in questo caso ci stiamo muovendo all’interno di ragionamenti prettamente teorici in cui gli stessi principi della fisica che oggi conosciamo potrebbero non essere validi. Secondo alcuni infatti, la stessa evoluzione dell’universo che ha portato oggi fino a noi potrebbe essere stata possibile proprio grazie alla natura meta-stabile del vuoto quantomeccanico.

Come ricorderete, in questi articoli:

Universo: foto da piccolo

Ascoltate finalmente le onde gravitazionali?

cosi’ come in tutti quelli richiamati a loro volta, abbiamo parlato dell’inflazione, cioe’ di quel particolare periodo nell’evoluzione dell’universo che ha portato ad una notevole espansione in tempi brevissimi. Conseguenza dell’inflazione e’ l’avere un universo omogeneo ed isotropo ed in cui le fluttuazione della radiazione di fondo sono molto ridotte. Bene, il bosone di Higgs potrebbe avere avuto un ruolo decisivo per l’innesco del periodo inflazionario. Secondo alcune teorie, infatti, le condizioni fisiche per poter accendere l’inflazione potrebbero essere state date da una particella scalare e l’Higgs potrebbe appunto essere questa particella. Se proprio devo aprire una parentesi, per poter affermare con sicurezza questa cosa, dobbiamo essere sicuri che la fisica che conosciamo oggi possa essere applicata anche in quella particolare fase dell’universo, cioe’ che i modelli attualmente conosciuti possano essere estrapolati a quella che viene comunemente definita massa di Planck dove tutte le forze fondamentali si riunificano. Ovviamente, per poter affermare con sicurezza queste teorie sono necessarie ancora molte ricerche per determinare tutti i tasselli che ancora mancano a questo puzzle.

Seguendo questa chiave di lettura, il fatto di essere in un universo meta-stabile, piu’ che un rischio potrebbe essere stata proprio la caratteristica che ha permesso l’evoluzione che poi ha portato fino ai giorni nostri, con la razza umana presente sulla Terra.

Altro aspetto curioso e importante della meta-stabilita’ dell’universo e’ la possibilita’ di includere i cosiddetti multiversi. Detto molto semplicemente, il fatto che l’universo sia meta-stabile apre gli scenari ad una serie di universi paralleli tutti uno di seguito all’altro caratterizzati da valori continui di alcuni parametri fisici. Non si tratta di racconti fantascientifici o di fantasia ma di vere e proprie teorie fisiche riguardanti il nostro universo.

Concludendo, la scoperta, o l’evidenza, del bosone di Higgs e’ stata sicuramente un ottimo risultato raggiunto dalla fisica delle alte energie, ma certamente non un punto di arrivo. La misura, ancora solo preliminare, della massa della particella apre le porte a scenari di nuova fisica o di considerazioni molto importanti circa la natura del nostro stesso universo. Come visto in questo articolo, quelli che apparentemente potrebbero sembrare campi del sapere completamente diversi e lontani, l’infinitamente piccolo e l’infinitamente grande, sono in realta’ correlati tra loro proprio da singole misure, come quella della massa dell’Higgs. A questo punto, capite bene come lo scneario si fa sempre piu’ interessante e sara’ necessario fare ancora nuove ricerche prima di arrivare a qualcosa di certo.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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L’invasione periodica delle cicale

8 Mag

Forse leggendo il titolo del post, avete pensato che mi stessi riferendo a quei simpatici ma assordanti animaletti che durante il periodo estivo ci deliziano con il loro caratteristico rumore, segno inconfondibile del caldo. Purtroppo, siete completamente fuori strada.

In questo articolo, vorrei parlarvi di un esemplare, sempre della specie delle cicale, ma con un comportamento del tutto anomalo, ossia le Magicicadas, cioe’ le cicale magiche.

Questi esemplari, hanno un ciclo vitale del tutto unico nel regno animale. Appena schiuse le  uova, le neonate cicale, ancora in uno stato larvale si rifugiano nel terreno scavando piccoli tunnel profondi anche fino a 3 metri. Qui, nutrendosi della linfa delle piante, finiscono il loro ciclo vitale che le portera’ fino all’eta’ adulta.

Quanti ci vuole per fare questo? Precisamente 17 anni!

Avete capito bene, le cicale magiche, restano nel terreno 17 anni precisi, fino a che non raggiungono l’eta’ adulta. A questo punto, tutte insieme, escono fuori per andare a popolare tutto quello che trovano: rami, alberi, condotti dell’aria, condizionatori, tubi di scappamento, ecc. Si tratta di una vera e propria invasione di cicale.

Gli esemplari di questa specie, hanno una forma leggermente diversa da quella delle cicale classiche, presentando occhi rossi un po’ sporgenti e con dimensioni di poco inferiori ai 4 cm:

Le cicale magiche che emergono ogni 17 anni

Le cicale magiche che emergono ogni 17 anni

La cosa incredibile e’ dunque che, esattamente ogni 17 anni, tutte insieme escono dal terreno per una vera e propria invasione che ricorda un po’ la famosa piaga d’Egitto.

Perche’ sto parlando di questo fenomeno?

Quel fatidico momento di cui stiamo parlando, e’ ormai prossimo. Quando infatti il terreno raggiungera’ la temperatura di 18 gradi centigradi, le cicale usciranno fuori cosi’ come hanno fatto l’ultima volta nel 1996. Le cicale magiche sono una specie conosciuta soprattutto nella costa ovest degli Stati Uniti e del Canada, dove questo storico momento sta creando attesa, ma anche qualche ansia.

La data prevista per questo incredibile fenomeno naturale e’ intorno al 18 maggio di quest’anno. Questa specie di cicale e’ del tutto innocua sia per l’uomo che per le coltivazioni.

Perche’ escono tutte insieme dal terreno?

Anche se puo’ sembrare incredibile, l’unico motivo e’ l’accoppiamento. Dopo 17 anni pasati nel terreno per arrivare all’eta’ adulta, nel momento in cui emergono in superficie, le cicale vivranno un tempo pari piu’ o meno a 3 settimane, in cui non faranno altro che accoppiarsi. Ciascuna femmina riuscira’ in questo intervallo a depositare fino a 600 uova, per poi morire stremata insieme al maschio. Come anticipato, una volta schiuse le uova, le larve si nasconderanno nel terreno dove passeranno i prossimi 17 anni.

Per darvi un’idea dei numeri, ci si aspetta qualcosa come 3 milioni di cicale per ettaro di terrano. Come detto, a parte la bellezza discutibile di questi insetti, non ci sono pericoli per gli esseri umani. Il problema principale che i cittadini americani delle zone interessate saranno costretti a sopportare sara’ l’assordante rumore prodotto da questi animali. In questo caso, il canto della cicala, che rientra nel rituale dell’accoppiamento, raggiungera’ i 90 decibel, cioe’ quello di una trebbiatrice o di un motorino da 25 cavalli.

Come detto, si tratta di un comportamento unico nel regno animale sia per la lunghezza del periodo di maturazione, ma soprattutto per l’incredibile precisione con la quale le cicale emergono in superificie. Altra domanda, ancora senza risposta, e’ anche il perche’ tutte le cicale escano dal terreno esattamente nello stesso istante dopo 17 anni passati nel sottosuolo.

Come potete immaginare, quella che sta per accadere e’ un’occasione molto importante per gli entomologi che stanno preparando tutti i loro strumenti per studiare a fondo questa fantastica specie animale e cercare di capire, ogni 17 anni, sempre qualcosa in piu’ di questo stranissimo comportamento.

Per completezza, vi segnalo anche un articolo del Corriere, risalente al 1996 e che parla del precedente fenomeno:

Corriere, 1996

Bene, le cicale che stanno per uscire ora, altro non sono che le uova depositate nel ’96 a seguito di questo frenetico e incredibile rituale di accoppiamento forsennato.

Lo strano fenomeno delle cicale magiche e’ stato scoperto nel 1843 e da questa prima osservazione, le cicale non hanno mai saltato uno degli appuntamenti ogni 17 anni.

A questo punto, non ci resta che attendere il momento preciso in cui il terreno raggiungera’ i 18 gradi per vedere nuovamente questa rarissima specie emergere. Ovviamente, con buona pace dei tanti americani che dovranno anche ascoltare per tre settimane il canto delle cicale magiche. L’occasione e’ importante, il prossimo appuntamento sara’ solo nel 2030!

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Crop Circle? No, Sand Circle!

3 Ott

In questo blog, ci siamo piu’ volte occupati di cerchi nel grano:

21 Dicembre 2012: cerchi nel grano

Ancora sui cerchi nel grano

Nuovo cerchio, nuova data

4 Agosto: una nuova conferma

In particolare, abbiamo piu’ volte provato ad interpretare i messaggi celati in questi disegni interessandoci principalmente alle connessioni con il 2012.

Come visto in questo post:

Come si realizza un cerchio nel grano

la realizzazione di questi cerchi puo’ essere ricondotta, in alcuni casi molto facilmente, all’opera di un gruppetto di “persone” anche in condizioni di buio.

Questa volta pero’, sempre rimanendo in tema cerchi, vogliamo occuparci di alcune opere che hanno suscitato molto scalpore negli ultimi giorni. Si tratta non di “cerchi nel grano”, ma “cerchi nella sabbia”.

Fin qui non ci sarebbe niente di misterioso da discutere, se non fosse che questi sand circle sono stati trovati ad una profondita’ di circa 25 metri al largo delle coste di Anami Oshima, un’isoletta semi tropicale dell’arcipelago Giapponese di Ryukyu.

Ecco una foto dei cerchi:

Una foto dei sand circle rinvenuti in Giappone

Si tratta di disegni geometrici composti da cerchi di diametro 60-70 cm, decorati in modo molto preciso. In alcuni sono anche state trovate conchiglie spezzate al centro.

Come potete facilmente immaginare, sono scattate subito le interpretazioni piu’ varie di questi disegni. Ovviamente, in questo caso la realizzazione umana risulta abbastanza difficile da accettare lasciando spazio all’origine extraterrestre di queste opere.

Chi ha realizzato questi cerchi? Perche’? Cosa voleva dirci?

Al solito, non dobbiamo lasciarci trasportare dall’emozione, ma ragionare sui fatti e vedere se esiste una spiegazione logica.

Come osservato direttamente da alcuni sub, l’autore di queste opere altro non e’ che una specie di pesce palla.

Utilizzando una pinna come timone e l’altra come rastrello, il pesce riesce a realizzare questi disegni spostando la sabbia in modo molto ordinato seguendo dei precisi schemi:

Pesce palla durante la realizzazione di un cerchio

Il motivo che spinge questo pesce a realizzare questi cerchi, come spesso avviene in natura, fa parte del rituale di accoppiamento. Da quanto osservato sul campo, la femmina sarebbe attrattata da queste opere andando poi a depositare le uova esattamente nel centro del cerchio.

In realta’, la complessita’ dei disegni ha anche una duplice funzione. Le increspature create nella sabbia, riescono a mitigare localmente le correnti, rendendo il centro del cerchio meno esposto e dunque molto adatto per depositare le uova.

Come detto in precedenza, sono stati ritrovati anche frammenti di conchiglie nella parte centrale di alcuni cerchi. Anche in questo caso, esiste una spiegazione logica al ritrovamento. Oltre alla funzione estetica, le conchiglie rappresentano il primo nutrimento per i nascituri contribuendo a creare un ambiente adatto.

Nulla dunque e’ lasciato al caso!

Riassumendo, le ipotesi fantasiose che vedrebbero un’origine extraterrestre per questi cerchi possono essere smentite osservando direttamente la Natura. Al contrario di quanto affermato da alcune fonti, non c’e’ nessun messaggio nascosto sul 21 Dicembre o sulla fine del mondo.

A volte, lasciandoci trasportare dalle nostre sensazioni, rischiamo di credere ad ipotesi fantasiose non supportate da dati. Osservare la Natura e cercare di comprendere i suoi meccanismi, ragionando in maniera obiettiva, ci consente di smascherare molte profezie che ogni giorno ci vengono proposte. Per conoscere il punto di vista della scienza sulle tematiche del 2012, non perdete in libreria “Psicosi 2012. Le risposte della scienza”.