asimmetrie-17

[tempo]

anno 9 numero 17 / 10.14

asimmetrierivista semestrale dellIstituto

Nazionale di Fisica Nucleare

asimmetrie

asimmetrie 17 / 10.14 / leditoriale

Cari lettori di Asimmetrie,

Tempus fugit! Ma forse solo per noi e forse neanche sempre.Confesso che al di fuori della mia esperienza personale,quando ho il prossimo appuntamento, quanto manca allacena, fra quanto si va in vacanza, dove ho lasciato lorologio il tempo per me un mistero. Come fisico dovrei avermetabolizzato lo spaziotempo a quattro dimensioni, nel qualetutti gli eventi accadono, ma la verit che la dimensionetemporale sfuggente, evanescente. Credo di condividerel'opinione di Kant quando dice che il tempo ha una realtempirica, perch la condizione necessaria affinch si abbiapercezione di alcunch di esterno o interno, ma non esiste ins, ovvero indipendentemente da noi. Razionalmente so cheper le particelle elementari il tempo non ha un verso, come perme che mi muovo dalla nascita verso la morte, so che ilviaggiatore che va veloce nel cosmo e poi torna trover unmondo diverso, quello di un futuro che chiss come sar esoprattutto come lo accoglier. Razionalmente non so se equando il tempo abbia avuto un inizio. E cominciamo ora acapire come forse finir. Se la massa del bosone di Higgs equella del quark top sono quelle che abbiamo misurato con inostri sofisticati apparati, allora il nostro universo destinatoa sprofondare nel suo livello di energia minimo (non vipreoccupate, manca molto!). Noi non ci saremo, ma cosa nesar del tempo in quelluniverso non lo sappiamo proprio.Quello che so per certo che il tempo che segna il mioorologio non coincide con quello del mio essere, con i lunghimomenti di noia e i brevi attimi di gloria (che forse sono duratiper il mio orologio lo stesso tempo). Speriamo che questonumero di Asimmetrie aiuti a capire come sia complesso,misterioso e affascinante il concetto stesso di tempo.

Buona lettura.

Fernando Ferronipresidente Infn

asimmetrieRivista dellIstituto Nazionaledi Fisica Nucleare

Semestrale, anno 9, numero 17 ottobre 2014

direttore responsabileFernando Ferroni, presidente Infn

direttore comitato scientificoEgidio Longo

comitato scientificoVincenzo BaroneMassimo PietroniGiorgio RiccobeneBarbara Sciascia

caporedattoreCatia Peduto

redazioneEleonora CossiVincenzo Napolano Francesca Scianitti Antonella Varaschin

Francesca Cuicchio(infografica)

hanno collaboratoFabio Anulli, Carlo Dionisi, MauroDorato, Aldo Godone, MassimoInguscio, Umberto Marconi,Giulio Peruzzi, Maximiliano Sioli,Carlo Rovelli

contatti redazioneInfn Ufficio Comunicazione piazza dei Caprettari 70 I-00186 Roma T +39 06 6868162F +39 06 68307944 [email protected] www.infn.it

impaginazione Istituto Arti Grafiche Mengarelli

stampaIAG Mengarelli

su carta di pura cellulosa ecologica ECF Fedrigoni Symbol Tatami250 - 135 g/m2

Registrazione del Tribunale di Roma numero 435/2005 del 8 novembre 2005. Rivista pubblicata da Infn.

Tutti i diritti sono riservati. Nessuna parte dellarivista pu essere riprodotta, rielaborata odiffusa senza autorizzazione scritta dellInfn,proprietario della pubblicazione.

Finita di stampare nel mese di marzo 2014.Tiratura 20.000 copie.

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crediti iconograficiFoto copertina Depositphotos.com(vicnt2815) // foto p. 4 Depositphotos.com(Anzemulec); foto a p. 5 United StatesGovernment; figg. 1,2 p. 8 Asimmetrie-Infn;foto d p. 9 T. Thiemann (FAU Erlangen), Max-Planck-Institut fr Gravitationsphysik(Albert-Einstein-Institut), Milde MarketingWissenschaftskommunikation, exozet effects// fig. a p. 10 Jean-Francois Colonna(Cmap/Ecole Polytechnique); foto b p. 11College de France; fig. c p. 12 Asimmetrie-Infn // fig. p. 13 Depositphotos.com(lightkeeper) // foto a p. 15 GiancarloCaracuzzo; foto b p. 16 Mondadori; fig. d p.18 Asimmetrie-Infn // foto a p. 19 A.Bortzells Tryckeri, courtesy AIP Emilio SegreVisual Archives; fig. b p. 20 Asimmetrie-Infn;foto c p. 21 X-ray: NASA/CXC/Univ ofMichigan/R.C.Reis et al; Optical: NASA/STScI// foto b p. 23 NASA, ESA, G. Illingworth, D.Magee, and P. Oesch (University of California,Santa Cruz), R. Bouwens; foto c p. 24TheVirtualFossil Museum; foto d p. 24 Infn;fig. 1 p. 25 Asimmetrie-Infn // foto p. 26Istockphoto.com (Giorgio Magini); foto a p. 27SLAC National Accelerator Laboratory; fig. 1p. 28 Asimmetrie-Infn // fig. a p. 29Asimmetrie-Infn; foto b p. 30 INRIM; foto cp. 31 INRIM // fig. p. 32 Asimmetrie-Infn// foto p. 33 Depositphotos.com(a-poselenov); fig. 1 p. 34 CERN; foto a p. 35CERN; fig. b p. 36 Asimmetrie-Infn; foto c p.37 CERN // foto a p. 38 Infn; foto b p. 39Infn/Schiavon; foto c p. 40 Infn/Schiavon;fig. 1 p. 41 Asimmetrie-Infn // foto b p. 43MIT; fig. 1 p. 44 Asimmetrie-Infn // fig. p.46 Libens libenter // foto p. 48 MuseoGalileo, Firenze - Foto di Franca Principe.

Ci scusiamo se, per cause del tutto indipendentidalla nostra volont, avessimo omesso o citatoerroneamente alcune fonti.

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as 17 / 10.14[tempo]

Time out 4di Carlo Rovelli

Il tempo prima del tempo 10di Antonella Varaschin

[as] intersezioni 13Passato presente futuro.di Mauro Dorato

Cronoviaggi 15di Francesca Scianitti

Cambia, todo cambia! 19di Massimo Pietroni

Le tre et 22di Eleonora Cossi

Avanti e indietro 26di Fabio Anulli

Spaccare il secondo 29di Aldo Godone e Massimo Inguscio

Lo scatto giusto 33di Umberto Marconi e Barbara Sciascia

Sincronizziamo gli orologi 38di Maximiliano Sioli

[as] radici 42Dilatazione dei tempi alla prova.di Giulio Peruzzi

[as] spazi 45Oltre.di Francesca Scianitti

[as] riflessi 46Calcolare in 3D. di Vincenzo Napolano

[as] illuminazioni 48Io dico luniverso.di Carlo Dionisi

asimmetrie 17 / 10.14 / sommario

Time outIl tempo, da Newton alla gravit quantistica

di Carlo Rovelli

4 > 54 > 5

Quando negli anni settanta il primo sistema di navigazionesatellitare (il Gps che ora si trova in tante automobili) fusperimentato dallesercito americano, i fisici avvertirono icostruttori che gli orologi sui satelliti sarebbero andati piveloci di quelli a terra. I generali dellesercito responsabili delprogetto non vollero crederci e i primi test furono fattiignorando questaccelerazione del tempo con laltezza. Nullafunzion. Cos i generali dovettero accettare lidea che il tempoda qualche parte scorre pi veloce.Esperienze come questa ci mostrano che la nostra intuizioneelementare su come funziona il tempo non corretta. O meglio,che questa intuizione non adatta a descrivere il mondo, nonappena si esce dal regime di dimensioni, velocit e precisione acui siamo abituati. Se si pongono due orologi precisi uno pi inalto e uno pi in basso, questi misurano due intervalli di tempodiversi, fra il momento in cui sono stati separati e il momento incui vengono ravvicinati. Lorologio tenuto pi in basso indica che passato meno tempo e lorologio tenuto pi in alto indica che passato pi tempo: il tempo non passa eguale per tutti (vd. p.42, ndr). Oggi abbiamo orologi molto precisi, e questadifferenza di velocit dello scorrere del tempo si misura anche adislivelli di pochi decimetri. Il tempo qualcosa di picomplesso di quanto immaginiamo comunemente. Quello che sappiamo oggi sul tempo grazie alla fisica si pudistinguere in quattro livelli, via via pi completi, ma via via piincerti, associati a quattro teorie: la fisica newtoniana, che hatre secoli, la relativit speciale (o ristretta) e la relativitgenerale, che hanno un secolo, e la gravit quantistica, che

in corso di elaborazione. Quanto grande laffidabilit delnostro sapere sul tempo, raccolto in queste teorie? La prima di queste teorie, la teoria di Newton, quella che siavvicina di pi alla nostra intuizione elementare del tempo. Cioffre una concettualizzazione del tempo precisa e solidissima,di assoluta affidabilit nellambito dei fenomeni pi familiarima, allo stesso tempo, limitata. Sappiamo per certo chefallisce, per esempio, nel caso degli orologi precisi chemisurano tempi differenti ad altezze differenti. La seconda e laterza teoria, cio le due teorie di Einstein sul tempo, sonostate largamente suffragate da una vastissima classe diesperienze e sono oggi estremamente affidabili, anche se ilmondo scientifico pronto a rimetterle in dubbio (come hafatto, ad esempio, per gli strani risultati sui neutrini pi velocidella luce di qualche anno fa, che si sono poi rivelati un falsoallarme vd. p. 38, ndr). Ma anche per queste due teoriesappiamo che esistono precisi limiti di validit, al di l dei qualile nostre idee sul tempo richiedono ulteriori cambiamenti.Infine, la ricerca attuale in gravit quantistica sta formulandouna concettualizzazione del tempo ancora nuova, che apparenecessaria per comprendere anche gli aspetti pi generali dellanatura del tempo. Ma la ricerca in gravit quantistica ancoralontana dallavere un supporto sperimentale e, dunque, ancora immersa in una nuvola di incertezza, priva di consenso.Quindi, detto in altre parole, oggi i fisici hanno idee moltoconfuse su cosa sia il tempo. Lunica cosa veramente certa che il tempo non corrisponde a quello che ci indica la nostraintuizione elementare.

asimmetrie 17 / 10.14 / tempo

a.Immagine artistica di un satellite delGps (Global Positioning System).

Vediamo le quattro teorie sul tempo pi nel dettaglio. La fisicanewtoniana descrive il tempo come qualcosa che scorre inmaniera uniforme ovunque, in un universo immerso in unospazio infinito. Spazio e tempo sono indipendenti dalla materiao dagli osservatori. Lo spazio esiste anche se non c nulla, iltempo scorre anche se nulla succede. Questa idea di tempo ci oggi familiare, ma non bisogna pensare che sia innata. Lideadel tempo di Newton si imposta per la sua efficacia, nonperch fosse naturale, e infatti si imposta a fatica. Lideadominante precedente, codificata per esempio da Aristotele,era che il tempo fosse solo una descrizione del modo (dellamisura) in cui le cose si muovono. Quindi se nulla esiste enulla si muove non c tempo che passa. Le idee astratte ditempo e di spazio, indipendenti dalle cose del mondo edallaccadere concreto nel mondo, ci sembrano oggi naturali,ma sono storicamente recenti. La fisica newtoniana, costruitasu questa nozione di tempo, funziona benissimo nella nostravita quotidiana, ed per questo che si imposta comemodello di pensiero, ma sbagliata quando si misurano lecose in modo pi preciso. Per esempio, il pianeta Mercuriosegue unorbita chiaramente diversa da quella prevista dalleequazioni di Newton. E due orologi uguali possono misuraretempi diversi, in barba al tempo unico di Newton.Si chiaramente capito che lidea newtoniana delluniversonon descriveva bene la natura con il celebre lavoro di Einsteindel 1905 sulla relativit speciale. La scoperta di Einstein sipu formulare nel modo seguente. Secondo lidea newtonianadi tempo, il tempo unico nelluniverso, quindi esiste un

adesso che ora lo stesso ovunque nelluniverso. Tutti gliaccadimenti delluniverso si possono catalogare fra quellifuturi, che sono dopo ladesso, quelli passati che sonoprima, o in un istantaneo adesso, fra il passato e il futuro, incui si trova ora lintero universo. Ma la realt, come hagiustamente compreso Einstein, non fatta cos. Posso parlare del mio passato, che comprende tutto ci cheho potenzialmente visto e vissuto, posso parlare del miofuturo, ovvero dellinsieme degli eventi rispetto ai quali io mitrovo nel passato, ma fra il passato e il futuro esiste unospazio intermedio, di cui Newton non si era accorto, che non n passato n futuro. La durata di questa regione che non npassato n futuro rispetto al me-ora, dipende dalla distanza dame. A pochi metri da me, la durata di questo spazio intermedio dellordine dei nanosecondi, cio molto breve, per questonon ci accorgiamo della sua esistenza. Dallaltra partedelloceano dei millisecondi, ancora sotto la soglia dellanostra percezione. Ma su Marte di 15 minuti e su unagalassia pi lontana dellordine di milioni di anni (vd. fig. 2 inapprofondimento a p. 8). Quello che accade su quella galassiadurante questi anni non per noi n passato n futuro. Innessun modo, quello che accade l durante questo tempo puavere un effetto su di noi, n quello che accade qui pu influiresu ci che accade sulla galassia durante questi milioni di anni. come se, durante questo intervallo, le due storie temporalinon fossero collegate. La teoria della relativit speciale diEinstein ci ha mostrato che la struttura del tempo picomplessa di quanto pensassimo. Non c un adesso

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b.Ritratto di Isaac Newton del 1702 diSir Godfrey Kneller (olio su tela).

delluniverso e non c un tempo unico pertutti. Ogni luogo, ogni oggetto, ogni storia ha ilsuo proprio tempo e questi tempi non semprecombaciano. Anzi, in generale noncombaciano. Orologi eguali possono indicaredurate diverse, se si muovono in mododiverso. Einstein scopre questa curiosastruttura profonda della realt, oggilargamente verificata, analizzando lapparenteinconsistenza fra la teoria elettromagnetica ela meccanica. Dieci anni dopo, nel 1915, analizzandolapparente inconsistenza fra la sua teoria e lateoria della gravit, Einstein realizza un altrospettacolare tuffo nella comprensione dellarealt. E cos scopre che lo spazio dentro cuitutto esiste e il tempo lungo il quale tuttoscorre, cio questa specie di tela immobileintrodotta da Newton su cui sembravano dipintila realt e il suo divenire, costituiscono unoggetto fisico ben definito, anchessogovernato da equazioni. Questo oggetto ilcampo gravitazionale, un gemello del campoelettromagnetico introdotto pochi decenniprima da Faraday e Maxwell per comprenderelelettromagnetismo. Spazio e tempo smettonodi essere le misteriose quantit quasi extrafisiche introdotte da Newton e immerlettateda Kant, e la realt torna a essere un insiemedi oggetti che interagiscono, di cui chiamiamotempo la misura del moto, come lo era perAristotele. Einstein usa la metafora delgrande mollusco per descrivere lospaziotempo in cui siamo immersi: spazio etempo diventano oggetti quasi materiali, conuna loro dinamica. Negli ultimi dieci o quindici anni, le piselvagge e incredibili conseguenze di questaaudace teoria di Einstein (riguardanti buchineri, espansione delluniverso, ondegravitazionali, lenti gravitazionali, differenza divelocit del passaggio del tempo con laltezzaecc.) sono state tutte direttamente oindirettamente verificate. Oggi, questa teoriarappresenta la pi estesa forma di saperefortemente credibile cha abbiamo sul tempo.Il tempo il nome che diamo a una certacaratteristica quantitativa del campogravitazionale, che a sua volta una cosasimile al campo elettromagnetico.

Anche per la relativit generale di Einstein,tuttavia, sappiamo con relativa certezza cheesistono precisi limiti di validit. Questivengono dal fatto che la teoria non comprendegli effetti quantistici, i quali devono svolgereun ruolo anche per lo spazio e per il tempo. Laricerca volta a costruire una teoria quantisticadella gravit, e quindi una teoria quantisticadello spazio e del tempo, porta a riconsiderareancora una volta la nozione di tempo. Ci si improvvisamente accorti di ci negli annisessanta, quando i fisici americani JohnWheeler e Bryce DeWitt hanno scrittolequazione fondamentale della teoria equesta equazione scritta senza che il tempovi compaia in alcun modo. Anche in versionipi moderne di questa teoria, come nellacosiddetta teoria della gravit quantistica aloop, le equazioni fondamentali non includonola variabile tempo. La spiegazione di questofatto, che allinizio ha generato moltaconfusione, semplice: il tempo in s, comeosserva Newton stesso nel suo libro, non osservabile. Noi osserviamo solo cose inmovimento, la variabile tempo unutileaggiunta per mettere ordine. Ma in unospaziotempo, cio in un campogravitazionale, soggetto a fluttuazioni


c.Albert Einstein in una foto del 1921.

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Ogni punto di un diagramma spaziotemporale rappresenta un evento, cioqualcosa che accade in una certa posizione dello spazio e in un certo istante ditempo. Nella fig. 1 (a sinistra) sono visibili due eventi (in giallo) che per la fisicanewtoniana si verificano nello stesso istante e hanno lo stesso passato(semipiano inferiore) e lo stesso futuro (semipiano superiore). La linea orizzontalesu cui giacciono rappresenta il loro presente. A destra nella fig. 1, per la relativitspeciale, i due eventi, i punti in blu e in verde sono simultanei solo in un

particolare sistema di riferimento e hanno un futuro e un passato distinti. Il futuroe il passato sono rappresentati, rispettivamente, dai triangoli superiori e inferiori(i cosiddetti coni del futuro e del passato). Le intersezioni di questi triangolicostituiscono il futuro e il passato comune dei due eventi (in grigio). Il diagrammacon i due coni raffiguranti il futuro e il passato si chiama spaziotempo diMinkowski. Nella fig. 2, lintervallo di tempo degli eventi che non sono connessi a me-oraaumenta allaumentare della distanza da me del punto dello spazio in cui questieventi si verificano (la distanza misurata sullasse orizzontale). Questo intervallodi tempo di una frazione piccolissima di secondo per gli eventi che si verificanovicino a me, di qualche decina di minuti per eventi che si verificano, adesempio, su Marte (non visualizzato nella figura) e pu essere di milioni o dimiliardi di anni per eventi che si verificano su una lontana galassia.

[as] approfondimento

Spaziotemporelativo

1.

2.

quantistiche e alla granularit minuta checaratterizza tutti gli effetti quantistici, questainosservabile nozione del tempo perde ogniutilit. un po come dire che la distanza inchilometri lungo unautostrada un concettoutile se ci serve per viaggiare in automobile,ma se stiamo studiando i singoli granidellasfalto diventa una nozione che fa soloconfusione. Per studiare i quanti di gravit, iltempo non pi una buona variabile. Invece diavere equazioni che descrivono comecambiano le cose nel tempo, possiamodirettamente avere equazioni che descrivonocome cambiano le cose luna rispetto allaltra.Questo ragionevole, ma allora il fluire deltempo come lo sperimentiamo sulla nostrapelle, che cos? Una possibilit che iltempo come lo conosciamo noi riemerga soloin un limite statistico o termodinamico. Quelloche caratterizza il fluire del tempo latermodinamica, la crescita dellentropia (ciola grandezza che misura il disordinemicroscopico dei sistemi fisici). Forse, il temponasce solo quando si considerano moltevariabili e valori medi. Il tempo, insomma,

una conseguenza della nostra ignoranza deidettagli microfisici del mondo. La ternagravit/quanti/termodinamica rappresentaoggi un nodo chiave per comprendere ilmondo, su cui si sta concentrando molta dellaricerca fondamentale pi affascinante. Alcentro di questo nodo, c la misteriosanozione di tempo. Di certezze, alla fine, ce nesono pochissime. Come dice Amleto alla finedel primo atto, confuso, dopo che lo spettro disuo padre gli ha rivelato che le cose non sonocome lui pensava, The time is out of joint (Iltempo uscito dai suoi cardini).


d.Una rappresentazione artistica dellagravit quantistica.

BiografiaCarlo Rovelli professore di fisica teorica allUniversit di Aix e Marsiglia, dove dirige ilgruppo di ricerca in gravit quantistica. conosciuto per i suoi lavori sulla teoria dellagravit quantistica a loop.

Link sul web

http://it.wikipedia.org/wiki/Gravit_quantistica_a_loop

Il tempo prima del tempoConversazione con Gabriele Veneziano

di Antonella Varaschin

Era il 1968 quando un giovane fisicoteorico italiano, di passaggio al Cern diGinevra fra un dottorato in Israele e unposto di ricercatore al Mit di Boston,diede alle stampe un articolo cheavrebbe rappresentato una pietra miliareper la fisica teorica contemporanea. Vi simostrava che, grazie a una formulavecchia di 200 anni (la funzione beta diEulero), era possibile render conto dialcune misure della interazione forte,realizzate con gli acceleratori di particelle.Il giovane autore di quellarticolo,Gabriele Veneziano, oggi uno dei

massimi fisici teorici al mondo e la suaintuizione si poi strutturata nellacosiddetta teoria delle stringhe che, nataquindi come una descrizione delle forzenucleari, verr poi a rappresentare ilprimo promettente tentativo di unificarelinconciliabile: la relativit generale e lameccanica quantistica, ovveromacrocosmo e microcosmo. Secondo questa teoria, le particelleelementari che costituiscono il nostrouniverso non sono pi entitinfinitamente piccole, punti senzadimensioni, ma oggetti unidimensionali

chiamati (con una traduzione un poimprecisa dallinglese) stringhe:cordicelle sottilissime e cortissime,praticamente invisibili, tese e vibranti. Emaggiore la vibrazione e lestensionespaziale della stringa, maggiore la suamassa. Ancora oggi, manca, a questaaffascinante e ambiziosa teoria, unaconferma sperimentale: anzi, lapossibilit o meno di verificarla ofalsificarla rappresenta uno degli aspettiche pi offrono il fianco ad affondi daparte di critici, scettici e detrattori. Maquesto un altro discorso.

a.Rappresentazione grafica 3D di unospazio di Calabi-Yau. Secondo lateoria delle stringhe esistono delledimensioni extra oltre alle quattroche conosciamo. Queste dimensionisarebbero arrotolate in figure conla forma di spazi di Calabi-Yau.

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Nel corso della nostra conversazione conVeneziano, vogliamo approfondire il concetto ditempo come deriva dalla teoria delle stringhe edalle sue implicazioni cosmologiche. Nel1991, infatti, Veneziano pubblic un altroarticolo significativo, in cui mostrava comedalla teoria delle stringhe potesse derivare unnuovo modello cosmologico di tipoinflazionario, che apriva le porte a possibiliscenari detti del pre-Big Bang. Ma se esiste unpre-, qualcosa antecedente al momento incui abbiamo sempre pensato avesse avutoinizio tutto, compreso il tempo, questosignifica che la nostra idea di tempo deveessere rimessa in discussione, cos come lanostra posizione nel contesto dellevoluzionedelluniverso. Se e quando il nostro universoha avuto inizio, una domanda alla quale nonsappiamo ancora rispondere, ma negli ultimitrentanni c stato un cambiamentoimportante nella descrizione della sua storia,inizia a raccontare Gabriele Veneziano. Primadegli anni 80, il modello convenzionale eraquello del Big Bang caldo, in cui tutto avevaavuto inizio a un certo tempo zero, istante incui tutte le distanze relative erano talmentecontratte da diventare nulle, dando cos luogoa un completo collasso. Tutto insommaavrebbe avuto inizio da una singolarit, comeviene chiamata in gergo matematico, in cuidensit, temperatura e curvatura delluniversoerano infinite. Dopodich, unespansione ditipo decelerato, quindi dapprima molto veloce epoi sempre pi lenta, ci ha portati fino a oggi.Questo modello riport numerosi successi ma

lasciava aperti svariati problemi concettuali efenomenologici.Agli inizi degli anni 80 era stato proposto unmodello, detto inflazionario, che riusciva asuperare queste difficolt. In questo modello,nelluniverso primordiale ci sarebbe stata unafase di espansione accelerata praticamenteesponenziale (detta inflazione per analogiacon quella dei prezzi che, ad esempio,raddoppiano ogni 15 anni), seguita poidallespansione decelerata, come nel vecchiomodello cosmologico (vd. Asimmetrie n. 15 p. 4,ndr). Quello che successo primadellinflazione ancora oggetto di ricerca: nonsi ha per il momento una risposta a questadomanda, anche perch linflazione ha lacaratteristica di nascondere in modo efficacetutto ci che era avvenuto precedentemente. C un punto che voglio precisare, perch sifa spesso molta confusione a riguardo: nelvecchio modello cosmologico, linizio deltempo coincideva con il Big Bang. Nel modelloinflazionario non pi cos. Linflazione,infatti, una fase di forte espansionedelluniverso che ha portato, di conseguenza,a un suo estremo raffreddamento. A questopunto per necessario far subentrarelazione di un meccanismo fisico, chiamatoappunto riscaldamento, che ha fatto s chealla fine dellinflazione luniverso ridiventassecaldo. Il Big Bang del vecchio modello vienecos rimpiazzato dal momento in cui terminalinflazione: un periodo molto breve, ma moltosignificativo che, per sua definizione, non haniente a che vedere con linizio del tempo.


b.Gabriele Veneziano, fisico teorico diindiscussa fama internazionale, uno dei padri della teoria dellestringhe.

I fisici teorici stanno ancora cercando di capire da che cosasia scaturita lera inflazionaria delluniverso e si chiedono qual la fisica rilevante per descrivere quella fase. Bisogna porsila domanda sullinizio del tempo, utilizzando la teoria giusta:questa non pu essere la relativit generale di Einstein, che una teoria classica, deterministica e che prescinde daglieffetti quantistici, quando invece abbiamo evidenza che lameccanica quantistica ha giocato un ruolo essenziale gidurante lepoca inflazionaria. Per la fase pre-inflazionariaservirebbe, quindi, una teoria quantistica della gravit, che un ben noto problema teorico. Sul mercato non ci sono moltealternative. Una la teoria delle stringhe e laltra la teoriadella gravit quantistica a loop (vd. p. 7, ndr). Entrambequeste teorie suggeriscono che allinizio dellinflazione non cisia stata una singolarit che impedirebbe di andare piindietro del tempo zero. Il problema dellorigine del tempo resta cos ancora aperto.Questo un momento molto interessante in cosmologia: perla prima volta si punta veramente il dito sulla necessit diapplicare la meccanica quantistica anche alla teoria dellagravitazione. Dato che la teoria delle stringhe non tollera gliinfiniti, sembrano esserci, nel suo contesto, solo duealternative per quanto riguarda linizio del tempo. La prima che andando allindietro, ci sia una fase speculare alla nostra(salvo che le interazioni erano talmente deboli da dare ununiverso privo di strutture), che si estende indefinitamenteverso il passato e che termina quando temperatura, densit ecurvatura raggiungono il massimo valore permesso. La

seconda ipotesi che tutto sia iniziato da una fase in cui nonesistevano spazio e tempo, concetti scaturiti solosuccessivamente. Nel primo scenario, quello proposto nel1991, c qualcosa che simula il vecchio Big Bang: il cosiddettobounce, ovvero rimbalzo, un momento in cui le varie quantitfisiche raggiungono il loro massimo valore per poi iniziare adecrescere. Invece che di Big Bang possiamo parlare di BigBounce del momento in cui la temperatura delluniversoavrebbe raggiunto il suo valore massimo, ma finito.Possiamo chiederci che cos il tempo? Personalmentetendo ad assumere un atteggiamento operativo a riguardo: iltempo inteso come quantit misurabile con orologi, conoggetti fisici. Il tempo perde senso se non lo si pu misurare(ricordo che Einstein arriv alla relativit ristretta pensando acome sincronizzare due orologi se la velocit della luce finita). Dunque non mi pongo tanto la questione di che cosasia il tempo, che prendo come concetto primitivo, mapiuttosto di come misurarlo: un atteggiamento da fisico, piche da filosofo.

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c.Visualizzazione grafica del Big Bounce.

Link sul web

http://www.college-de-france.fr/site/en-gabriele-veneziano/biography.htm

http://www.youtube.com/watch?v=i_-OUsZjngw

http://www.einstein-online.info/spotlights/big_bangs


La riflessione sul tempo un capitolo fondamentale della filosofia e della scienza contemporanee.Non esagerato ritenere che tutti i problemi filosofici e scientifici pi importanti si intreccino oggicon il problema del tempo. Questultimo non solo gioca un ruolo centrale nella descrizione delmondo esterno, ma anche qualcosa di cui siamo direttamente coscienti, e ha quindi a che farecon la nostra identit personale. I due pi grandi problemi aperti della scienza contemporanea,ovvero lunificazione della meccanica quantistica e della relativit generale da una parte (vd. p. 4,ndr) e la comprensione dellorigine del pensiero cosciente a partire dal cervello dallaltra, infatti,chiamano in causa, sebbene in modo assai diverso, proprio il tempo.Nella sua Nuova Confutazione del Tempo Borges scrive

Il tempo la sostanza di cui sono fatto.Il tempo un fiume che mi trascina, ma io sono il fiume;

una tigre che mi divora, ma io sono la tigre; un fuoco che mi consuma, ma io sono il fuoco.

[as] Intersezioni

Passato presente futuro.di Mauro Dorato

filosofo della scienza

Il fatto che Borges insista sulla naturapersonale del tempo (noi siamo il tempo)allude forse al fatto che il tempo (insieme allospazio) una forma soggettiva innata con laquale gli esseri umani esperiscono il mondoesterno e interno, come sostenuto da Kantnella sua Critica della Ragion Pura. Infatti, perKant, il tempo ha una realt empirica, perch la condizione necessaria affinch si abbiapercezione di alcunch di esterno o interno,ma non esiste in s, ovveroindipendentemente da noi. Ovvero, non esistenel mondo considerato in s ( ideale da unpunto di vista trascendentale). In pi, come afferma la citazione di Borges, iltempo dal punto di vista dellesperienza lasostanza di cui siamo fatti, ma unasostanza che sembra consumarsicostantemente proprio come una fiamma, chevive grazie alla sua distruzione. Questametafora poetica introduce in modo naturaleuno dei problemi principali della filosofia deltempo, che coinvolge la natura del momentopresente e il suo continuo passaggio. Ilmomento presente fondamentale nellanostra esperienza, ma dal punto di vista dellafisica, newtoniana o einsteiniana che sia, nonesiste. Scrive Carnap nella sua autobiografia,nella quale racconta del suo incontro conEinstein a Princeton: Il problema delpresente lo preoccupava seriamente. Unavolta Einstein disse che lesperienza delpresente significa qualcosa di speciale perluomo, qualcosa di essenzialmente diversodal passato e dal futuro, ma che questaimportante differenza non ha luogo e non puaverne nella fisica. Non c dubbio che con la relativit dellasimultaneit sia diventato ancor pi difficileattribuire una qualche oggettivit al diveniretemporale e allesistenza di una differenzaradicale tra passato cosmico, presentecosmico e futuro cosmico. Le differenze inquestione, come accade con la relazione disuccessione temporale, diventano puramentelocali, nel senso che hanno oggettivit soloper eventi relativi a singole linee di universo,legati tra loro da rapporti causali invarianti,perch collegabili da segnali che viaggiano avelocit inferiori a quella della luce. Risulta quindi difficile sostenere che lesserpresente sia una propriet intrinseca degli

eventi (e quindi sia del tutto indipendentedalla nostra coscienza) e che sia acquisita viavia da eventi temporalmente successivi.Invece sembra assai pi plausibile sostenereche tale propriet dipenda come la fisicarelativistica integrata da alcuni datineurocognitivi e da importanti teoriefilosofiche contemporanee suggeriscono dalla prospettiva di agenti dotati di strutturepercettive e cognitive simili alle nostre. Questa conclusione di importanza non soloteorica, ma anche pratica: noi viviamo efacciamo esperienza del mondo solo nelmomento presente ed solo con la memoriae con lanticipazione (che sono tuttavia attipsicologici che avvengono nel momentopresente) che ci spingiamo mentalmente al dil di quel che, momento per momento,facciamo. Queste capacit di viaggiare neltempo sono tipiche degli esseri umani. Non un caso che le grandi filosofie ellenistiche e lereligioni orientali ci hanno sempre esortato aconcentrarci esclusivamente sul momentopresente, perch le nostre vite si dispieganosolo nel presente: perch tormentarci per unpassato che non esiste pi e consumarci conlansia per un futuro che non esiste ancora,se solo il presente esiste? I metafisicicontemporanei hanno tradotto questoatteggiamento pratico elaborando lacosiddetta metafisica presentista, unaposizione teorica che ritiene che esista soloci che esiste nel presente, posizione cheessi hanno difeso con ragioni del tuttoindipendenti dalle loro conseguenze pratiche.Ma se la fisica relativistica ci insegna che,come sosteneva Einstein, passato, presente efuturo esistono tutti allo stesso modo, divienenecessario non solo concentrare la nostraattenzione sul momento presente, ma anchecomprendere che questultimo solo unminuscolo anello inserito in una catenacosmica di cui facciamo parte. Dobbiamoallora accogliere nella nostra mente in modoequanime tutte e tre le determinazioni deltempo: passato, presente e futuro e cercaredi guardare alluniverso, come suggerivaSpinoza, sub specie aeternitatis (sottolaspetto delleternit, ndr). La filosofia unsapere insieme teorico e pratico, ed forseproprio questa inscindibile unione leredit pipreziosa che il pensiero greco ci ha lasciato.

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Si narra di cronoviaggiatori rientrati dal futurocon un fiore in mano. Di mogli e mariti riemersidalla tomba per rivivere la giovinezza edimenticarsi luno dellaltra una volta tornatibambini. Avventurieri raddoppiati e copie ditemponauti scomparsi in viziosi circolitemporali chiusi e inaccessibili. Buchi neri cheinvertono la rotta del tempo e universi sede diinfiniti futuri possibili. Macchine del tempo chesoltanto il genio di Einstein avrebbe potutoimmaginare, se solo avesse osato farlo. La fantascienza sembra il luogo naturale diuna lotta impossibile tra immaginazione,realt fisica, logica ed etica, capace digenerare paradossi dalla straordinaria potenzanarrativa. Forse non ha alcun sensointerrogarsi sul fondamento scientifico diquesti racconti, ma pu essere interessanteribaltare la domanda: che fisica otterremmose provassimo a dare coerenza alle invenzionidella fantascienza? La potenza delle rispostepu dare luogo a sua volta a un viaggio neltempo, sovvertendo il senso comune e illimite delle nostre conoscenze, eimmaginando realt considerate fino a quelmomento inaccettabili o mai immaginate. La pi straordinaria delle previsioni concettualidella fantascienza si trova nel primo romanzodi questo genere, La macchina del tempo diGeorge Wells. Scritto nel 1895, dieci anniprima che Einstein pubblicasse il primoarticolo sulla teoria della relativit speciale, ilromanzo fonda la possibilit dei viaggi neltempo sullidea che non esista alcunadifferenza tra le tre dimensioni spaziali e ladimensione temporale, se escludiamo lanostra percezione del procedere del tempo. unanticipazione della formulazionematematica di Minkowski dello spaziotempoquadridimensionale, costituito non pi daeventi spaziali che evolvono nel tempo, ma daun continuum, in cui levoluzione nel tempo


CronoviaggiLa fantascienza del tempo

di Francesca Scianitti

a. un fiore portato dal futuro il co-protagonista del romanzo Lamacchina del tempo di HerbertGeorge Wells. Grazie allinvenzionedi una prodigiosa macchina deltempo, un geniale scienziato accedea un futuro lontanissimo scoprendoforme di vita inimmaginate. Al suoritorno, porter nel presente lunicaprova di quel viaggio: un fioresconosciuto.

viene rappresentata come un moto lungo ladimensione temporale (vd. approfondimento ap. 8, ndr). Come fotografie successive di ununico individuo, scattate in epoche diverse, larealt che conosciamo immaginata da Wellscome una sezione, una rappresentazionetridimensionale dellunicumquadridimensionale, fisso e inalterabile. Ma seil tempo solo una dimensione come le altre,osa limmaginazione di Wells, deve pur esserepossibile muoversi avanti e indietro lungolasse temporale come facciamo con le tredimensioni spaziali. Con questa irresistibilesemplicit la fantascienza sfonda per la primavolta la porta del tempo.Wells per non si accontenta di precedereinconsapevolmente la teoria scientifica, nesfida persino i confini futuri. I suoi viaggitemporali, infatti, come quelli della maggiorparte degli scrittori di fantascienza,consentono viaggi nel passato, o ritorni dalfuturo al presente, oltre che viaggi di solaandata nel futuro. Perch i viaggi nel futuronon sono poi cos interessanti, almeno finchil viaggiatore non decide di tornare. Ed ilritorno al presente ad avere conseguenze

scientificamente ed eticamente paradossali.Lo stesso cronoviaggiatore potrebbe incontrarese stesso da giovane o, peggio, uccidere ipropri genitori prima della sua nascita. Qualerealt sarebbe allora pi reale, quella delpresente in cui nato o quella del presente incui non pu essere nato? E se anche volessimoaccettare la possibilit di un ritorno dal futuro alpresente (cos come un viaggio nel passato),dal presente qualcosa dovrebbe scomparire.Perch un fiore portato dal futuro non pu cheessere fatto con gli stessi atomi gi esistentinel presente: il suo ritorno dal futurosignificherebbe la presenza simultanea deglistessi atomi in due luoghi diversi e la materiarisulterebbe cos duplicata, creata dal nulla. Eppure bisogna ammettere che, da un punto divista puramente letterario, il paradosso unirresistibile trampolino di lancio verso ilfantastico. E non raro che lautore producasoluzioni geniali per restituire senso econsistenza alla sua sceneggiatura.Affondando cos le radici in una nuova strutturadella realt, e non soltanto nellinvenzionepura, i nuovi mondi della fantascienza sonospesso insolitamente credibili.

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b.Isaac Asimov autore di circa 500volumi, non solo su argomentiscientifici, ma anche del genereromanzo poliziesco, di fantascienzaumoristica e di letteratura perragazzi. Le sue opere sonoconsiderate una pietra miliare sianel campo della fantascienza chenel campo della divulgazionescientifica.

Per risolvere il paradosso della duplicazione,nel racconto Necrologio Isaac Asimov faricorso a una particolare macchina del tempoideata da un oscuro dottor Stebbins: lamacchina crea una copia del viaggiatore, lunoviaggia nel tempo, laltro resta nel presente.La macchina, tuttavia, costruita in modo dauccidere gli esseri che richiama nel presente,prevenendo cos la possibilit che il ritorno dalfuturo possa cambiare la storia. Lindividuooriginale, in sostanza, non viaggia affatto: ilsuo duplicato a essere costretto in un circolovizioso presente-futuro-presente, che ripercorredi continuo, muovendosi su una lineatemporale chiusa. Per la fisica questasituazione non poi cos assurda, se siconsidera lanalogia con il vuoto quantistico:dal vuoto possono emergere una particella eunantiparticella, che subito si annichilano e siricreano, e cos via in un circolo chiuso infinito.Ma in questo caso, come in altri, lafantascienza supera la semplice soluzione delparadosso e nel racconto di Asimov il circolo aun certo punto si spezza. Approfittando delritorno dal futuro della copia defunta delmarito, la moglie del dottor Stebbins decide diuccidere loriginale riuscendo cos, in modo

insospettabile, a liberarsene per sempre.Come propongono Robert Heinlein e PhilipDick in racconti simili a quello di Asimov,tuttavia, la duplicazione del cronoviaggiatorepu essere evitata: di ritorno dal futuro, ilviaggiatore potrebbe identificarsi con il sestesso presente, per uscire da questo primadi ripartire. Lidea asfissiante, marisolverebbe, oltre al problema del parricidio, lamoltiplicazione infinita di quel Martin delfamoso film Ritorno al futuro, che tornandodieci minuti prima di quando era partito puosservare il se stesso in partenza, il quale asua volta potrebbe tornare dieci minuti prima aosservare Martin che osserva Martin inpartenza, e cos via senza fine.La strategia per aggirare i paradossi, edevitare le descrizioni incoerenti, segue ingenere una filosofia molto personale, allaquale ciascun autore di fantascienza aderiscesulla base di scale di valori e conseguenzeritenute pi o meno accettabili. Non rarocomunque che la scelta sia quella di cavalcaree portare allestremo le conseguenzeparadossali delle invenzioni fantascientifiche,progettando castelli privi di fondamenta,assurdi e tuttavia credibili. Un bellesempio


c.Una scena di Ritorno alfuturo(1985, regia di RobertZemeckis): Michael J. Fox (a destra)e Christopher Lloyd (a sinistra) conla DeLorean utilizzata nel film comemacchina del tempo.

rappresentato dal film Il curioso caso diBenjamin Button (2008), che vede unvecchissimo Brad Pitt ripercorrere aritroso le fasi dellesistenza, incrociandola vita di una moglie bambina, di cui sarin diversi momenti amico-nonno, adulto-seduttore, marito, figlio e, infine, infantenipote. Ma non si tratta in questo caso diveri e proprio viaggi nel tempo, perch il tempo stesso a invertire la sua rottadiventando anti-tempo, portando aeventi come la morte al contrario. Anche quando si affidano totalmente aiparadossi, estremizzandone leconseguenze, i bravi scrittori difantascienza si pongono il problema dellacoerenza delluniverso che inventano,che non pu capitolare in una serie dicatastrofi inaccettabili. Malimmaginazione ha bisogno di spazio,non di limitanti preconcetti, e la coerenzanon pu essere protetta da un sempliceprincipio di censura, sulla base del qualeci che troppo paradossale, semplicemente inaccettabile. Per questoi creatori di fantascienza sanno spessorendere logicamente possibile ci chefisicamente non lo , mettendo in campospeculazioni che possono dare da

pensare ai pi affermati filosofi e fisiciteorici. Una bella soluzione narrativa, elogica, dei paradossi temporali prevede,ad esempio, che si accettino gli interventisul passato: questo possibile soloeliminando il futuro, per cos dire,originale, a favore di un nuovo futuro,modificato dallincursione delcronoviaggiatore. certamente unasoluzione affascinante, ma darebbeinevitabilmente luogo a una serie diproblemi di natura etica, poich ammette,di fatto, la possibilit di realizzare unpresente-futuro a proprio piacimentotramite rapide escursioni, di tanto intanto, nel passato. Esiste una secondasoluzione, pi accettabile, probabilmentela pi elegante e coerente tra tutte lepossibili: prevede che il futuro originalesia conservato e continui il suo corsoinsieme ad altri infiniti futuri e universiparalleli modificati dalle incursioni ininfiniti passati preesistenti. Ecco unanuova previsione della letteratura che haprobabilmente la stessa dignit delcontinuum spaziotemporale previsto daWells prima di Einstein. Resta dachiedersi, a questo punto, se si trattidavvero soltanto di fantascienza.

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d.Due possibili soluzioni delparadosso dei viaggi nel passato (odei ritorni dal futuro). In entrambi icasi il viaggio modifica il futuro. Alcentro, il futuro non modificato daconsiderare impossibile,irrealizzabile e viene cancellato. Adestra, i futuri modificati e nonmodificati dalle incursioni nelpassato sono tutti conservati,dando luogo a uninfinit di futuripossibili. (Figura liberamente trattada La scienza della fantascienzadi Renato Giovannoli).

Link sul web

http://www.scuola.rai.it/articoli/herbert-george-wells-la-macchina-del-tempo-un-libro-in-tre-minuti/3056/default.aspx

Cambia, todo cambia! La variazione delle costanti fondamentali

di Massimo Pietroni

Ogni teoria fisica contiene un certo numero diparametri che non possono essere calcolati apartire dalla teoria stessa, ma devono esseredeterminati attraverso una misurasperimentale. Un esempio la costante diNewton, G, che entra nella legge dellagravitazione universale per la forza di attrazioneF tra due masse m1 e m2, poste a una distanzaR: F=G m1 m2/R2. La teoria di Newton nonfornisce alcuna indicazione sul valore di G,tanto che questo fu determinato per la primavolta solo nel 1798, e cio 71 anni dopo lamorte di Newton stesso, con le misure tramitebilance a torsione eseguite da Cavendish.Il valore dei parametri fondamentali, allinternodi un dato schema teorico, a priori del tuttoignoto. Per questo motivo, in accordo con tutti idati sperimentali disponibili in un certomomento, si assume che questi parametrisiano costanti nel tempo, e li si indica comecostanti fondamentali. Alcuni di questiparametri possono variare con lenergia delprocesso in cui vengono misurati, un fenomenoben noto che va sotto il nome di running dellecostanti. Se una nuova misura fisica dovessemettere in evidenza anche una dipendenza daltempo di questi parametri, vorrebbe dire chec un nuovo meccanismo responsabile diquesta variazione temporale, che rendeinevitabile modificare lo schema teorico. Il fisico teorico inglese Paul Dirac, uno deipadri della meccanica quantistica, fu tra i primia proporre che alcune costanti fondamentalifossero in realt variabili su scale dei tempidellordine della vita delluniverso. Il suo puntodi partenza fu losservazione che in Naturaesistono alcuni numeri molto grandi, chedifficilmente possono essere spiegati in modonaturale dalla teoria. Uno di questi ilrapporto fra la forza elettrostatica e quellagravitazionale che si esercitano tra un protonee un elettrone, che vale circa 1040 e d lamisura della forza dell'elettromagnetismorispetto alla gravit. La proposta di Dirac fu dispiegare questo numero enorme ipotizzandoche la forza elettrostatica e quella

gravitazionale fossero inizialmente dellostesso ordine, e che il rapporto tra loro fossecresciuto in modo proporzionale alletdelluniverso man mano che questoinvecchiava. Concretamente, Dirac immaginche la costante di Newton G variasse in modoinversamente proporzionale alletdelluniverso, rendendo la gravit sempre pidebole col passare del tempo. Agli occhi diDirac questa soluzione era attraente, poichspostava il problema teorico dalla spiegazionedi un numero enorme a quella di un numero diordine uno (il rapporto iniziale tra le due forze)per cui pu essere pi plausibile immaginareuna determinazione in termini di principielementari.

a.Il fisico teorico inglese Paul AdrienMaurice Dirac.


In realt, lo schema proposto da Dirac, oltre abasarsi su motivazioni opinabili, non resse adanalisi pi approfondite. Per esempio EdwardTeller calcol che poich, allaumentare di G,la luminosit del Sole aumenta(proporzionalmente a G7) e,contemporaneamente, il raggio dellorbitaterrestre si riduce, nel passato la temperaturasulla superficie del nostro pianeta sarebbestata molto pi elevata, raggiungendoaddirittura i 100 gradi centigradi tra 200 e 300milioni di anni fa, rendendo cos impossibile lavita cos come la conosciamo oggi. Ciononostante, lidea di base, e cio ladipendenza dal tempo delle costantifondamentali, tuttora dibattuta dai fisiciteorici e messa alla prova dalle osservazionisperimentali. Nel modello standard le quantit noncalcolabili sono almeno 25 e determinano ilvalore delle masse delle particelle elementari(quark, leptoni, bosoni W e Z, particella diHiggs), le intensit delle interazionielettrodeboli e forti e il mescolamento tra lorodelle tre famiglie di quark e delle tre deileptoni (vd. fig. b). Allo stato attuale nonabbiamo alcun modo per calcolare questi

parametri, sebbene esistano teorie pigenerali, ancora non confermatesperimentalmente, in cui alcuni di essipossono essere calcolati in termini di altri,perdendo cos il loro status di parametrifondamentali.Oggi sappiamo che anche nel modellostandard diversi parametri fondamentali, neiprimissimi istanti di vita delluniverso, avevanoun valore diverso dallattuale. Si tratta dellacostante di Fermi, che regola lintensit delleinterazioni nucleari deboli, e delle masse deiquark e dei leptoni, che vengono tuttideterminati dal valore del campo di Higgs (vd.Asimmetrie n. 14 p. 22, ndr). Questo ha subitouna transizione nelluniverso primordiale,allincirca 10-27 secondi dopo il Big Bang,passando da zero al valore a cui rimastocongelato fino ai nostri giorni. Sebbene questa variazione sia avvenuta troppoindietro nel tempo per aver lasciato tracceosservabili, possibile che un comportamentosimile sia ancora allopera, oggi, per altri campianaloghi al campo di Higgs. Nellambito dellateoria delle stringhe, per esempio, le costantifondamentali sono tutte fissate dal valore diparticolari campi dinamici, alcuni dei quali

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b.Il modello standard della fisica delleparticelle contiene, oltre alle trecostanti fondamentali, c (velocitdella luce), G (costante di Newton) e (costante di Planck), altri 26parametri che vengono consideraticostanti nel tempo, ma chepotrebbero anche essere variabili inuna teoria pi estesa. Questifissano lintensit delle interazioni(GF, a, as), le masse delle particelle,il mescolamento fra le diversefamiglie di quark e leptoni e laviolazione della simmetria CP.

potrebbero essere ancora in moto. In questo scenario, peresempio, anche linterazione elettromagnetica, quella che misurata con la precisione pi elevata, potrebbe aver subito unavariazione nel corso delle epoche cosmologiche recenti. Undestino analogo potrebbero avere avuto, per esempio, ilrapporto tra massa dellelettrone e massa del protone olintensit delle interazioni nucleari. La memoria dei valori passati di queste ipotetiche costantiincostanti potrebbe riemergere in osservazioni di varia natura;per esempio, studiando le abbondanze di diversi isotopi nellaminiera di Oklo, in Gabon, un sito eccezionale in cui circa duemiliardi di anni fa si realizzarono le condizioni per laccensionedi un vero e proprio reattore nucleare naturale. Questeabbondanze, infatti, sarebbero sensibili a una variazione dellacostante di struttura fine, che regola lintensit della radiazioneelettromagnetica.

Altre tracce verrebbero dalla cosmologia che, attraverso lostudio della formazione dei nuclei primordiali, oggi in gradodi fornire limiti su una possibile variazione di G nellepocacompresa tra un secondo dopo il Big Bang e oggi, che peressere in accordo con le osservazioni non dovrebbe essere pigrande di pochi punti percentuali.Al momento attuale, lunica (flebile) traccia di variazione dicostanti fondamentali quella riportata dal gruppo diastronomi guidati da John Webb, che, osservando la luceproveniente da quasar lontani qualche miliardo di anni luce, hanotato una anomalia nelle righe spettrali, che pu esserespiegata se la costante di struttura fine fosse stata pi piccolain passato di una parte su centomila. Queste osservazionisono per tuttora sotto esame da parte della comunitscientifica e una risposta definitiva appare ancora lontana, acausa dellestrema difficolt di queste misure.


c.Il quasar RX J1131 distante circasei miliardi di anni luce.

Link sul web

http://physics.nist.gov/cuu/Constants/introduction.html

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature13433.html

http://www.media.inaf.it/2014/06/18/una-misura-per-la-costante-gravitazionale/

Biografia Massimo Pietroni ricercatore dellInfn della sezione di Padova. In questi ultimi anni si occupato principalmente del problema della materia e dellenergia oscura nelluniverso edelle sue possibili spiegazioni nellambito della fisica delle particelle.

Le tre etDatare luniverso, la Terra e la materia vivente

di Eleonora Cossi

Nel 1811 in Inghilterra, in una spiaggia del Dorset, una giovanedonna fece una scoperta destinata a cambiare per sempre laconcezione del tempo. Lei si chiamava Mary Anning ed passata alla storia per aver scoperto un gigantesco scheletro dianimale, il pi grande mai rinvenuto. La Anning, che avevaimparato dal padre a riconoscere i fossili del Giurassico,particolarmente abbondanti in quella zona, aveva trovato unoscheletro completo di un rettile marino chiamato Ichtyosaurus:una creatura sconosciuta e impossibile da concepire seguendola concezione della storia accettata allora dalla maggior partedegli uomini, quella delle sacre scritture. Da quel giorno iltempo non fu pi lo stesso.Fino al 1700 let della Terra, e quindi, per la credenzadellepoca, anche quella delluniverso, era stata stimata sullabase dellinterpretazione delle sacre scritture in circa 6000anni. Solo a partire dalla fine del 700 i calcoli iniziarono aesser basati su criteri scientifici. Ancora agli inizi del secoloscorso, per, let della Terra era stimata in milioni di anni. Soloattorno al 1930, meno di centanni fa, Arthur Holmes inizi autilizzare le misure radiochimiche per stabilire, in miliardi dianni, let della Terra.Oggi possibile risalire con precisione anche a epoche molto pilontane di quelle in cui la Terra era abitata dai dinosauri (leraMesozoica), utilizzando specifici metodi di datazione che gliscienziati hanno sviluppato in ambiti scientifici diversi, come lageologia, la fisica delle particelle e lastrofisica. Partiamo dallet delluniverso, la macchina del tempo pipotente che abbiamo a disposizione e in cui possiamo vederetanto pi indietro, quanto pi lontano guardiamo. Grazie al programma di misure del telescopio Hubble (l'HubbleExtreme Deep Field program, vd. fig. b) abbiamo potuto osservareoggetti distanti fino a 13 miliardi di anni luce, grazie alle misuredel redshift cosmologico, lo spostamento verso il rosso dellaluce, previsto dallespansione delluniverso secondo la legge diHubble (vd. Asimmetrie n. 15 p. 33, ndr).Secondo le stime pi aggiornate la nascita delluniverso vienefatta risalire a circa 13,8 miliardi di anni fa, quando avvenuto ilBig Bang. Questa stima confermata dalle osservazioni deisatelliti, come Wmap e Planck, che studiano la radiazione

a.Dettaglio di Le tre et della donna,dipinto del 1905 del pittoreaustriaco Gustav Klimt (olio su tela).

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cosmica di fondo. Nel 2013, il satellite Planck dellAgenziaspaziale Europea (Esa) ci ha inviato una dettagliata mappadella radiazione cosmica di fondo, la prima immagine cheabbiamo delluniverso, ricca di informazioni sulla composizionedelluniverso primordiale. Secondo i modelli della fisica delleparticelle e della cosmologia questa foto depoca (vd. fig. cin Asimmetrie n. 15 p. 35) ci mostra luniverso 380 mila annidopo il Big Bang. Cosa sia successo prima descritto dalmodello cosmologico detto Lambda-Cdm, che prevede cheluniverso sia in espansione e composto per circa il 95% daenergia oscura (Lambda) e materia oscura fredda (Cold DarkMatter) (vd. Asimmetrie n. 14 p. 4, ndr). Sempre studiando laradiazione cosmica di fondo, e in particolare i suoi stati dipolarizzazione, si pu provare ad andare ancora pi indietrocercando, indirettamente, conferme sulla teoria dellinflazione:la rapidissima espansione che, immediatamente dopo il BigBang, avrebbe ingigantito le fluttuazioni quantistiche prodottenel Big Bang fino a farle diventare i semi di materia incorrispondenza dei quali si sono formate le galassie (vd. ancheAsimmetrie n. 15 p. 37, ndr). Per stimare let del sistema solare e della Terra si usano,invece, modelli astrofisici e metodi di datazione derivanti dallageologia. Secondo lipotesi scientifica pi accreditata, circa 5miliardi di anni fa da una nebulosa primordiale cominci ilprocesso che port 4,6 miliardi di anni fa alla formazione delsistema solare. Con i metodi geologici, infatti, in particolarestimando let dei meteoriti rinvenuti sulla Terra, la nascita delsistema solare stata stimata a circa 4,6 miliardi di anni fa,et compatibile con la datazione delle rocce terrestri e quindicon la stima fatta per la nascita della Terra. Lorigine della vita

sulla Terra , invece, argomento ancora molto controverso, eoggi viene fatta risalire a circa 3,5 miliardi di anni fa. La storia geologica del nostro pianeta viene, dunque,ricostruita prevalentemente utilizzando documenti speciali: lerocce e i fossili. Entrambi possono essere studiati sia conmetodi di datazione relativa, al fine di stabilire la successionedegli eventi che hanno caratterizzato la storia della Terra, siacon metodi di datazione assoluta, in particolare con tecniche didatazione radiometriche (o radiodatazione), che consentono didatare con precisione un evento, indicando quando si verificato e la sua durata. I metodi di datazione relativa sifondano su tre criteri: stratigrafico, paleontologico e litologico,e si basano sullosservazione delle rocce sedimentate e deifossili che vi sono rimasti imprigionati. Il criterio stratigrafico si basa sullosservazione degli stratisedimentari delle rocce e sullevidenza che quelli pi antichi sitrovino pi in basso e quelli pi recenti pi in alto, rispettandolordine cronologico. Non sempre per questo ordine rispettato: i movimenti tettonici possono, infatti, averlo alterato,rendendo impossibile la sua applicazione. Il criteriopaleontologico sfrutta i fossili per datare gli strati rocciosi incui sono rimasti imprigionati, partendo dal presupposto che lavita sulla Terra si sia evoluta omogeneamente. Questo tipo didatazione si effettua sui cosiddetti fossili guida appartenentia specie vegetali e animali che hanno avuto ampia e rapidadiffusione, come le ammoniti usate come fossili guida delleraMesozoica, identificabili come indizi inequivocabili di una dataepoca. Lultimo, il criterio litologico, si basa sullassegnare allerocce dello stesso tipo una identica et ed il criterio di piristretta applicazione.


b.LHubble Extreme Deep Field (Xdf),in italiano campo extra-profondo diHubble, cio limmagine di unapiccolissima regione di cielo visibiledall'emisfero sud, basata suirisultati di una serie di osservazionidel telescopio spaziale Hubble.Bench la regione di cielo osservatasia molto pi piccola di quellacoperta, ad esempio, dalla Luna,l'immagine contiene circa 5500galassie. L'Xdf ha permesso diosservare galassie molto distanti,create quindi nelluniversogiovane ed diventataun'immagine caposaldo nellostudio delluniverso primordiale.

d.Il Papiro di Artemidoro, datato con ilcarbonio 14 dal laboratorio Labec, illaboratorio per i Beni Culturali diFirenze dellInfn, nel 2008. Secondole misure realizzate dal Labec, ilpapiro risale al I secolo d.C.Il documento conterrebbe la primatrascrizione conosciuta di parte diun testo geografico di Artemidoro diEfeso, ma lattribuzione e ladatazione del contenuto sonoancora controversi.

Mentre i metodi di datazione relativa cipermettono di individuare il susseguirsi deglieventi, restituendoci una sorta di raccontodella storia del nostro pianeta, quelli didatazione assoluta ci consentono diindividuare con precisione delle date, risalendocos non solo allet di un reperto, ma anche aci che lha originato. Tra questi metodi, il piimportante, quello della radiodatazione,consente di misurare la radioattivit residua dirocce e fossili. La radioattivit una propriet di alcuni isotopiinstabili di certi elementi che emettonoradiazione (storicamente denominata di tipoalfa, cio nuclei di elio, beta, cio elettroni opositroni, o gamma, cio fotoni), trasformandosiin isotopi stabili dello stesso elemento o di unaltro elemento: questo fenomeno chiamatodecadimento radioattivo. Gli scienziaticonoscono il tempo di dimezzamento, ovvero iltempo necessario affinch una data quantitdi isotopi instabili (radioattivi) si dimezzi.Calcolando il rapporto tra la quantit di unelemento radioattivo presente in una roccia equella di un elemento stabile possibile,conoscendo il tempo di dimezzamento, risalireallet della roccia che stiamo analizzando. Per la datazione di reperti risalenti fino a40.000 anni fa si ricorre al metodo delradiocarbonio, largamente impiegato anche neibeni culturali per la datazione di reperti diorigine animale o vegetale (vd. fig. d). Piante eanimali, infatti, sono una fotografia delcarbonio che presente in atmosfera con dueisotopi: il carbonio 14 (14C), radioattivo, e ilcarbonio 12 (12C), stabile. Gli esseri viventi,infatti, fissano il carbonio atmosferico

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c.Gli ammoniti sono consideratifossili guida, ovvero indizi certi,dellera Mesozoica.

contenuto nel diossido di carbonio/anidride carbonica (CO2)attraverso la fotosintesi clorofilliana, per la flora, o attraversolalimentazione, per la fauna. Quando muoiono, lisotopo 12C,stabile, rimane inalterato, mentre lisotopo 14C, instabile,comincia a decadere trasformandosi in azoto (14N). Laconcentrazione di carbonio 14, quindi, diminuisce con il passaredel tempo. La relazione fra quanto carbonio rimasto e quantosi trasformato ben nota ai fisici ed dettata dalle leggi deldecadimento radioattivo (per il 14C il tempo di dimezzamento

pari a 5730 anni). Per datare un reperto di origine organicaoccorre, dunque, misurare la quantit residua di 14C, ma questaquantit piccolissima: pari a un atomo di 14C su mille miliardidi atomi di carbonio. quindi necessario avere una grandissimasensibilit e misurare con una precisione tale da arrivare aunincertezza nellordine di 20-30 anni. Ci viene fatto contecniche di fisica nucleare, utilizzando acceleratori di particellee spettrometri che permettono di separare i nuclei di carbonio14 e contarli (vd. Asimmetrie n. 9 p. 34).


Link sul web

http://www.fossilmuseum.net/

http://www.bbc.co.uk/schools/primaryhistory/famouspeople/mary_anning/

http://scienzapertutti.lnf.infn.it/index.php?option=com_content&view=article&id=1873&Itemid=595

http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2013/21mar_cmb/


Bomb peak

1.Grafico delbomb peak.

Durante la Guerra Fredda, dopo il 1955, si assiste a unsusseguirsi di test nucleari che ha causato, tra gli effettisecondari, un grande aumento della concentrazione dicarbonio 14 nellatmosfera terrestre. I valori hanno raggiuntoun picco verso la met degli anni 60 (1963-1965), per poidecrescere dopo la firma dei trattati internazionali per ilbando dei test nucleari. A questo fenomeno gli scienziatidanno il nome di bomb peak (picco delle bombe). Conlaumentare del carbonio 14 in atmosfera aumentava,conseguentemente e con uguali valori, anche quello di tutti

gli organismi viventi, tra cui anche le piante di cotone o lino,da cui si realizzano le tele da pittura. Sfruttando questofenomeno, ricercatori del Labec di Firenze hanno provato,con unanalisi eseguita con lacceleratore Tandem, che unatela attribuita al pittore Fernand Lger fosseinequivocabilmente un falso (come sospettato). Il livello dicarbonio 14 della tela, infatti, risultato decisamente pialto di quello presente durante la vita del pittore, mortoprima del bomb peak, cio precedente allinnalzamento delradiocarbonio dovuto ai test nucleari.

Avanti e indietroLa freccia microscopica del tempo

di Fabio Anulli

Mentre prendete un aperitivo e osservate un cubetto dighiaccio che si sta sciogliendo nel vostro bicchiere di Spritz,non vi aspettereste mai che questo possa tornare asolidificarsi. Allo stesso modo, con il tempo inesorabilmenteinvecchiamo e possiamo scegliere cosa fare domani, ma nonevitare gli errori commessi ieri. Per lesperienza comune,dunque, il tempo palesemente asimmetrico: la cosiddettafreccia del tempo scorre in una sola direzione e nessunprocesso macroscopico reale reversibile nel tempo. Questanaturale evoluzione dei fenomeni nel tempo non per legataa unasimmetria delle leggi fisiche fondamentali, quantopiuttosto alla complessit dei sistemi e al concetto di entropia.Semplificando, possiamo dire che lentropia una misura deldisordine di un sistema fisico. Sistemi isolati evolvono versostati di entropia maggiore, cio pi disordinati, e questoprocesso risulta di fatto irreversibile.A livello delle interazioni tra particelle elementari la situazione per completamente diversa e ci che ci sembra esserescontato, in realt, non lo affatto. Lurto tra due particelle, adesempio, risulta perfettamente plausibile anche se osservato

a ritroso nel tempo, con le due particelle dello stato finale chesi muovono in direzione opposta, urtano e ritornano nello statoiniziale, come se si trattasse di un film che viene visto alcontrario. Ma nel corso degli anni, i fisici si resero conto chequesto non sempre vero e che anche nel mondo delleparticelle esistono situazioni in cui i processi fisici non sonoequivalenti se la direzione del tempo viene invertita. Laconferma sperimentale definitiva arrivata da uno studio,pubblicato dalla collaborazione Babar dello Slac NationalAccelerator Laboratory di Stanford (California) alla fine del2012, in cui stata annunciata la prima osservazione diretta diuna violazione della simmetria per inversioni temporali, ossia diuna irreversibilit delle leggi fisiche a livello microscopico.Vediamo di che si tratta e come stato trovato questo risultato. In meccanica quantistica loperazione di inversionetemporale (indicata con T) corrisponde allo scambio dellostato iniziale con quello finale e allinversione del segno deltempo. T una delle cosiddette simmetrie discrete, insiemealla simmetria per inversioni spaziali P e a quella di carica C(ovvero la simmetria rispetto allo scambio di particelle conantiparticelle). Fino agli anni 50, si pensava che esse fosserorispettate dalle interazioni fondamentali, cio che le interazionifondamentali agissero nello stesso modo se applicate su un

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dato sistema o sulla sua versionespeculare (la simmetria P) o, ancora, suquella che si ottiene scambiando tutte leparticelle del sistema in antiparticelle(simmetria C). In seguito si scopr che C,P e anche loperazione combinata di C eP (il prodotto CP) sono in realt violatedallinterazione debole (vd. Asimmetrie n.16 p. 33, ndr). Un teorema fondamentale della teoriadei campi asserisce che la simmetriaottenuta dalloperazione combinata CPT rispettata da tutte le interazionifondamentali. Per effetto del teoremaCPT, se un certo processo fisico nonconserva una delle simmetrie, alloradeve violare anche il prodotto delle altredue e viceversa. Quindi, losservazionesperimentale che CP violata implicache anche T debba essere violatadallinterazione debole. Per molti anni si cercata la verifica sperimentale direttadella violazione di T. Ma questa, senzafare riferimento alla simmetria CP o CPT, molto complicata da ottenere. Di fattoconsiste nel confrontare la probabilit diun processo fisico con quella delprocesso ottenuto scambiando lo statoiniziale con quello finale e invertendo ilsegno delle grandezze fisiche dipendenti

dal tempo, come la velocit delleparticelle coinvolte. Ci risulta in generesperimentalmente impossibile per ladifficolt di preparare lo stato iniziale delprocesso invertito temporalmente. Un modo molto elegante per aggirare talidifficolt fu proposto nel 1999 erealizzato sperimentalmente da Babarnel 2012. Lesperimento Babar statoprogettato per studiare gli effetti dellaviolazione di CP nei decadimenti deimesoni B, studiando i decadimenti dicirca 500 milioni di coppie di mesoni B eanti-B (cio contenenti, rispettivamente,un antiquark o un quark bottom), prodottidalle collisioni tra elettroni e positroniallacceleratore Pep-II, presso lo SlacNational Accelerator Laboratory (vd.Asimmetrie n. 11 p. 35, ndr). La verificadella violazione di T si basa sulla misuradella probabilit di trasformazione tracoppie di stati quantistici correlati deimesoni B neutri. In particolare, si sonostudiate le frequenze in funzione deltempo di due trasformazioni di mesoni Bneutri, che si ottengono una dallaltraattraverso uninversione temporale (vd.approfondimento a p. 28). come se siosservasse una particella che si trasformata in unaltra tornare indietro e

ri-trasformarsi nella particella originaria.Le frequenze misurate da Babar sonorisultate diverse. Se la simmetriatemporale fosse conservata, la probabilitche si verifichi ci sarebbe di una partesu 1043, cio incredibilmente piccola.Questo risultato rappresenta quindi laprima misura diretta della violazione di T.Inoltre il valore misurato di questaasimmetria coerente con la violazionedi CP osservata in analoghi decadimentidei mesoni B neutri, cos come richiestodal teorema CPT.Prima di Babar, anche altri esperimentiavevano evidenziato asimmetriericonducibili a una violazione di T. Ingenere, per, le misure effettuatefacevano assunzioni riguardo al teoremaCPT oppure riguardavano trasformazioniche implicavano anche la presenza diuna violazione di CP, come nel casodellesperimento Cplear, che nel 1999misur la violazione di T con i mesoni K.La misura effettuata da Babar, invece,oltre a essere particolarmente bella,perch fa pieno uso di proprietfondamentali della meccanica quantistica,non ha alcuna connessione con CP e CPT,e pertanto viene considerata la primaosservazione diretta della violazione di T.


a.Lesperimento Babar allo SlacNational Accelerator Laboratorya Stanford, negli Stati Uniti.

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Link sul web

http://www-public.slac.stanford.edu/babar/

https://www6.slac.stanford.edu/news/2012-11-19-babar-trv.aspx

http://physics.aps.org/articles/v5/129

http://blogs.nature.com/news/2012/11/particle-physicists-confirm-arrow-of-time-for-b-mesons.html

http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/nov/21/babar-makes-first-direct-measurement-of-time-reversal-violation

La verifica della violazione di T in Babar si basa sulla misura della probabilit ditrasformazione tra coppie di stati quantistici correlati di particolari mesoni B neutri. Le coppie di mesoni B neutri prodotti in Babar possono essere di due tipi: lacoppia di un B0 e un anti-B0 (stati che contengono rispettivamente un antiquarkbottom e un quark bottom) e la coppia che indichiamo BCP+-BCP- (stati che sicontraddistinguono per il comportamento sotto trasformazioni di CP). Nel tempo,questi stati evolvono gli uni negli altri, cos per esempio dopo un certo tempo unanti-B0 pu trasformarsi in un BCP- e un BCP- in un anti-B0.I diversi stati possono essere identificati analizzandone i prodotti didecadimento, che sono differenti nei vari casi possibili. Le coppie di mesonineutri vengono create in uno stato di aggrovigliamento (in inglese entanglement,vd. Asimmetrie n. 16 p. 36, ndr), a causa del quale i due mesoni, purallontanandosi luno dallaltro, rimangono intimamente connessi senza assumereunidentit ben definita: in altre parole, non si pu dire chi sia la particella e chilantiparticella. Ma a causa dellentanglement, quando il primo dei due mesonidecade, manifestando la propria identit attraverso i prodotti di decadimento (esi scopre cos che si tratta per esempio di un B0), si viene a conoscenza

dellidentit dellaltro mesone della coppia (che nel caso dellesempio in fig. 1sar dunque un anti-B0). Tale propriet diventa un formidabile strumento: si pu selezionare lo stato inizialedel secondo mesone senza bisogno di doverlo misurare, scegliendo un particolaredecadimento del primo mesone. Sfruttando lentanglement quindi possibileselezionare una catena di decadimento nella quale un anti-B0, identificato daldecadimento del B0 entangled (in leptoni e altre particelle), si trasforma in un BCP-,di cui si osserva direttamente il decadimento (il BCP- decade nella particella J/Y enel mesone KS). Questa catena viene confrontata con la catena inversa, in cui unBCP-, identificato dal decadimento del BCP+ entangled (il BCP+ decade nellaparticella J/Y e nel mesone KL), si trasforma in un anti-B0 , di cui si osservadirettamente il decadimento (vd. fig. 1, in basso). Questo procedimento hapermesso di confrontare levoluzione temporale di una trasformazione con la suainversione temporale, ossia la sua riflessione attraverso lo specchio del tempo.Confrontando, in funzione del tempo, le probabilit con cui si verificano le duetrasformazioni, si scoperto che queste probabilit risultano diverse, dimostrandocos in maniera diretta la violazione della simmetria temporale T.


Specchio del tempo1.Per verificare la violazione di T in Babar, stata studiata la trasformazione di un anti-B0 inun BCP- e quella inversa, di un BCP- che si trasforma in un anti-B0 (in alto). In basso sonovisualizzate le catene di decadimento, grazie alle quali tale misura stata realizzata.

Biografia Fabio Anulli ricercatore dellInfn presso la sezionedi Roma. La sua attivit di ricerca si svolge nelcampo della fisica sperimentale delle alte energie.Ha collaborato a diversi esperimenti ad acceleratoridi particelle, in particolare a Kloe presso i LaboratoriNazionali di Frascati, Babar presso lo Slac NationalAccelerator Laboratory a Stanford, nel qualeattualmente ricopre la carica di Physics AnalysisCoordinator, e lesperimento Atlas al Cern di Ginevra.

Spaccare il secondoDagli orologi atomici agli orologi nucleari

di Aldo Godone e Massimo Inguscio

La scienza che si occupa di definire le unit dimisura, la metrologia moderna, discende daunintuizione di James Maxwell del 1870,secondo cui: Se si vogliono ottenere campionidi lunghezza, tempo e massa, che sianoassolutamente permanenti, essi devono esserecercati non nelle dimensioni o nel movimento onella massa del nostro pianeta, ma nellalunghezza donda, nella frequenza e nellamassa assoluta degli atomi. Essi infatti sonoeterni, inalterabili e tutti perfettamente uguali.Il suggerimento di Maxwell stato messo inpratica per la prima volta per lunit di misuradel tempo, costruendo degli orologi atomici: sitratta di dispositivi, costituiti da un oscillatore(in genere un laser), che analizza unatransizione atomica utilizzata come

discriminatore della frequenza, e da undivisore di frequenza, in grado di riportare ilperiodo delloscillazione atomica di riferimentoa un intervallo di tempo convenzionalmentedefinito come un secondo (vd. fig. a).Il primo orologio atomico stato realizzato nel1955 al National Physical Laboratory inInghilterra da Louis Essen e Jack Parryutilizzando una transizione dello statofondamentale del cesio 133, la cui frequenza stata poi convenzionalmente definita pari a9.192.631.770 Hz ed alla base dellattualedefinizione del secondo. Lo sviluppo di questoorologio stato impressionante, in quanto hamigliorato la sua accuratezza di circa un ordinedi grandezza ogni decennio, sino a raggiungereil livello di una parte su 1014 nel 1990. Questo

a.Schema di un orologio atomico. Laradiazione di un oscillatore laser agganciata in frequenza allatransizione atomica di riferimentoattraverso un modulatore e inviata aun divisore di frequenza, che generalunit di tempo in secondi.


significa che orologi di questo tipo possonosbagliare al massimo di un miliardesimo disecondo al giorno.La performance di un orologio atomicodipende principalmente dal tipo di transizionedellatomo di riferimento e dallisolamento dalleperturbazioni esterne (come campi elettrici,magnetici, temperatura, urti, ). Lintuizione diMaxwell, infatti, tanto pi valida quanto pi larealizzazione sperimentale riproduce lasituazione ideale di un atomo imperturbato. Proprio per venire incontro a questa necessit stato determinante lo sviluppo della tecnicadi raffreddamento laser (laser cooling) degliatomi, che ha consentito, negli ultimi 20 anni,di spingere ulteriormente laccuratezzadellorologio al cesio termico, grazie allarealizzazione di orologi atomici a fontana, doveatomi di cesio o rubidio raffreddati a unatemperatura prossima allo zero assoluto (paria 1 micro-Kelvin) vengono sondati durante illoro volo nel campo gravitazionale terrestre(vd. fig. b). Questo risultato costituisce unprimo limite di accuratezza per gli orologibasati in questo caso su una transizione nellaregione delle microonde. Nellultimo decennio si proposto lutilizzo, alposto del cesio, di reticoli di stronzio e itterbio(vd. fig. c) o di singoli ioni di alluminio, chepresentano transizioni ottiche fortementeproibite (ovvero con una frequenzaestremamente precisa).

Ci ha consentito di portare laccuratezza diquesti orologi atomici ottici fino a qualcheparte su 1018 (un miliardesimo di secondolanno), aprendo la strada a una possibilefutura ridefinizione dellunit di misura delsecondo. Allo stesso tempo, per, ha indicatoun nuovo limite di accuratezza per gli orologiatomici, essenzialmente legato alla difficolttecnica di assicurare la condizione di atomoimperturbato a livelli migliori di quelli ottenuti.Nella figura a pagina 32 raffiguratalevoluzione degli orologi, dagli orologi conbilanciere a verga del 1300 agli orologiatomici moderni. Nel riquadro riportato ilnotevole miglioramento di accuratezza nellarealizzazione dellunit di tempo degli ultimi30 anni, dovuto allintroduzione degli orologiatomici a fontana e ottici.Agli inizi del 2000 la Physikalisch-TechnischeBundesanstalt tedesca ha proposto unatransizione nucleare dellisotopo 229 del toriocome possibile transizione di riferimento perun orologio in grado di superare laccuratezzadi quelli ottici di uno/due ordini di grandezza. Ilforte interesse per questa transizione del torio229 dovuto alla sua frequenzaincredibilmente bassa, che ne consente, inlinea di principio, losservazione con tecnichedi spettroscopia laser ordinaria nella regionedellultravioletto. Da un punto di vistametrologico, una transizione nuclearegarantisce una minore sensibilit ai fenomeni

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b.Lapparato di controllo della fontanacriogenica al cesio utilizzata qualecampione primario della scala ditempo nazionale italiana.


c.Luce emessa da uncampione ottico allitterbio.

che tipicamente limitano i campioni di frequenza ottici, in quantoil nucleo fortemente schermato dagli strati elettronici esterni.Al momento quattro gruppi di ricerca nel mondo sono impegnatinel tentativo di ridurre lincertezza con cui oggi si conosce lafrequenza di questa transizione (circa 10%), allo scopo diosservarla direttamente con le tradizionali tecniche dispettroscopia atomica, passo fondamentale per larealizzazione di un primo orologio nucleare.Limportanza di osservare questa transizione del torio nonrisiede solo nel suo impiego metrologico, ma, pi in generale,nella sua dipendenza dalla costante di struttura fine, circa10.000 volte superiore a quella delle transizioni normalmente

utilizzate nei campioni atomici, che permetterebbe anche unaverifica della stabilit nel tempo delle costanti fondamentali(vd. p. 19, ndr).Orologi atomici o nucleari molto pi accurati di quelli attualidarebbero un grande impulso agli esperimenti legati allarelativit generale, sia a terra che sui satelliti. Infatti, da unlato si avrebbe un miglioramento dei test classici, comequelli del redshift gravitazionale (vd. p. 44, ndr) o del principiodi equivalenza (vd. Asimmetrie n. 14 p. 13, ndr), dallaltro siaprirebbe la strada a interessanti nuove possibilit diosservazione di effetti gravito-elettromagnetici e di verifichedei modelli di gravit quantistica (vd. p. 9, ndr).

Link sul web

http://www.inrim.it/ldm/index_i.shtml

http://www.hoepli.it/libro/il-tempo-e-atomico-/9788820358945.html

http://physics.aps.org/articles/v5/126

Biografia

Aldo Godone ha svolto la sua attivit scientifica nel campo della spettroscopia atomicaad alta risoluzione e in particolare dei campioni atomici di frequenza. Attualmente coordinatore scientifico dellIstituto Nazionale di Ricerca Metrologica (Inrim) di Torino.

Massimo Inguscio, professore di fisica della materia allUniversit di Firenze, esperto alivello internazionale di materia condensata ultrafredda. co-fondatore del LaboratorioEuropeo di Spettroscopia Non-Lineare ed attualmente presidente dellIstituto Nazionaledi Ricerca Metrologica (Inrim) di Torino.

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Lo scatto giustoUn grilletto per i rivelatori di particelle

di Umberto Marconi e Barbara Sciascia

La bocca di un vulcano che erutta lavaincandescente o il gesto rapido di un ghepardoche ghermisce unantilope. Immagini checolgono lessenza di un fatto pi di tanteparole o filmati. Basta che sia lo scattogiusto. Anche nella fisica delle particelle a uncerto punto divenne necessario fare lo scattogiusto, con la difficolt aggiuntiva di doverfotografare qualcosa che, per, non si puvedere! Andiamo con ordine: le particelle elementarinon si possono vedere ma i rivelatori diparticelle le rendono visibili sfruttandoalcune loro propriet, come per esempio lacarica elettrica. Un po come un animale chelascia impronte sulla neve: dal loro studiopossiamo capire molto dellanimale che le halasciate. Uno dei primi rivelatori che hapermesso di vedere le particelle stata lacamera a bolle (vd. approfondimento a p. 34),dove era necessario scattare una foto allatraccia lasciata dalla particella appenatransitata. Il problema era quando scattare, efu risolto aggiungendo un altro tipo di rivelatoreche emetteva un segnale al passaggio dellaparticella, ben prima che si formasse la traccianella camera a bolle, segnale usato perscattare la foto.Negli anni, la crescente complessit degliesperimenti e i vari tipi di rivelatori sviluppatihanno portato a ideare sofisticate alternativealla macchina fotografica, note nel loroinsieme come sistema di trigger o trigger tout-court (in italiano, grilletto).


Prima di entrare nei dettagli di un sistema diun moderno trigger, dobbiamo definire altri dueaspetti: la firma, o signature in inglese, e iltempo morto, o dead time. Con la firma siindica linsieme delle caratteristiche deglieventi interessanti, un po come la firmaautografa sulla carta di credito che ci dovrebbeidentificare in maniera univoca. Per tempomorto si intende il tempo minimo tra unoscatto e laltro, tempo in cui la macchinafotografica non pu scattare foto, come sefosse inutilizzabile, morta.Insomma ogni fotografia fatta a un evento,buono o cattivo che sia, implica che per un podi tempo non potr scattare altre foto, anchenel caso ci fossero eventi buoni. E la strategiaperseguita da tutti i moderni sistemi di trigger definire la miglior signature, in modo da

scattare foto solo agli eventi buoni (il segnale)e non a quelli inutili (il fondo), e aver il minordead time possibile, in modo da perdere menoeventi buoni possibili. Fino a che la frequenza con cui accadono glieventi bassa, abbastanza facile costruirebuoni sistemi di trigger. Ma dal prossimo annoi fasci di protoni di Lhc (il Large HadronCollider al Cern di Ginevra) si incontrerannoquaranta milioni di volte al secondo (in gergosi dice che dal 2015 Lhc funzioner a 40MHz) al centro di ciascuno dei quattroesperimenti (Alice, Atlas, Cms e Lhcb) presentilungo il tunnel di Lhc. E ognuna di queste voltepotrebbe succedere qualcosa diinteressante, come la produzione di unbosone di Higgs (vd. Asimmetrie n. 8 e n. 14,ndr) o addirittura la produzione di qualche

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Butta la pasta!: una tipica espressione italiana chesottintende la pi ampia lacqua bolle, butta lapasta!. E quante volte attendendo affamati chelacqua bollisse, abbiamo notato speranzosi le primebollicine? Guardare le bolle quello che facevanoi fisici che tra gli anni 50 e gli anni 80 usavano unacamera a bolle, un rivelatore inventato nel 1952dallamericano Donald Glaser, con un brevissimoarticolo di meno di una colonna, che gli valse ilpremio Nobel nel 1960. La camera a bolle mette insieme tre diverse idee. Laprima che una particella carica che attraversa ungas o un liquido lo ionizza (separa elettroni dallemolecole che li includevano, lasciando ioni carichipositivamente). La seconda che un liquido che staper bollire inizia a farlo di preferenza attorno a unoione. La terza che le singole bollicine che si formanoal passaggio della particella carica sono fotografabili,prima che tutto il liquido si metta a bollire. In pratica, il rivelatore consiste in un contenitore,posto allinterno di un campo magnetico, in cui unliquido, spesso idrogeno, mantenuto in condizionidi pressione e temperatura subito al di sotto delpunto di ebollizione. Pochi millisecondi primadellarrivo del fascio di particelle parte la sequenza,

antesignana dei moderni sistemi di trigger,necessaria a fotografare le particelle stesse. Illiquido viene espanso tramite un pistone, in mododa provocare un calo di pressione, rendendolopronto a bollire. Quando le particelle caricheattraversano il liquido ionizzandolo, singole bolle siformano attorno agli ioni e pochi millisecondi dopo ilpassaggio delle particelle vengono scattatefotografie stereo, cio da pi direzioni diverse, inmodo da poter ricostruire la traiettoriatridimensionale. Negli anni sono state costruite pidi cento camere a bolle e sono state raccolte pi di

cento milioni di fotografie stereo. La complessaanalisi di queste immagini, che richiedeva moltepersone opportunamente specializzate, ma chepoteva essere fatta anche in laboratori lontanidallesperimento, stata uno degli elementi chiavenello sviluppo delle collaborazioni internazionali pereffettuare i grandi esperimenti.


Guardare le bolle

1.Elaborazione artistica delle tracce lasciate da particellecariche nella camera a bolle Bebc (Big European BubbleChamber) al Cern nei primi anni 70.

particella ancora mai osservata come quelleche potrebbero spiegare la natura dellamateria oscura (vd. Asimmetrie n. 4, ndr).A complicare il tutto, gli eventi prodottiallinterno dei quattro esperimenti di Lhccontengono molta informazione (in mediaciascuno occupa 1 MB) a causa del numero edella complessit dei rivelatori utilizzati,informazione che non pu essere elaborata nei25 nanosecondi a disposizione tra unacollisione e laltra. La soluzione pu esserequella di utilizzare sistemi di trigger chelavorino in parallelo e/o su pi livelli. Di solitosi usano entrambi gli approcci e ciascuno deiquattro esperimenti ha implementato unproprio sistema trigger con caratteristichepeculiari equivalenti. I vari esperimenti stannopreparando lupgrade dei loro sistemi dirivelazione, incluso il trigger; nel seguitodescriveremo la soluzione scelta da Lhcb, ilcui sistema pu gi ora funzionare a 40 MHz,ma pu registrare al pi una met degli eventiinteressanti che saranno prodotti grazie alla

maggiore energia di Lhc. Questultimoesperimento studia in particolare gli eventi incui siano stati prodotti quark di tipo charm obeauty e deve distinguerli dalla maggioranzadegli altri casi, in cui non successo nulla diinteressante.Un tipico accorgimento quello di usare unasequenza di meccanismi di selettivit e latenzaprogressivamente crescenti. In altre parole, leprime richieste (selettivit) devono esseresemplici e veloci, in modo da ridurre il numerodi eventi da esaminare con pi attenzione e inpi tempo (latenza). Complessivamente iltempo di elaborazione richiesto dalla proceduradi trigger per completare la valutazione dellordine di 10 millisecondi: molto maggioredel tempo utile di 25 nanosecondi. La sceltanecessaria per sostenere il ritmo imposto dallecollisioni in Lhc allora usare molte proceduredi selezione in parallelo. Nel caso di Lhcb, doveil flusso aggregato dei dati di circa 40 Tb/s, possibile realizzare un sistema di trigger cheimpieghi esclusivamente reti di computer


a.Negli ultimi mesi del 2014 finirannoi lavori a Lhc, iniziati ad aprile2013, che permetteranno unanuova raccolta di dati a unenergiadi fascio molto maggiore di prima.

(senza alcun altro filtro intermedio) cheelaborino circa quattrocentomila procedurein parallelo, permettendo al trigger stessodi funzionare alla frequenza desiderata.Dai primi anni 2000, diventato comuneluso di processori (CPU) multi-core, in cuipi processori sono montati sul medesimosupporto in modo da aumentare lapotenza di calcolo del singolo computer.Oggi si trovano in commercio processorifino a 12 core per CPU, ma anche cos ilnumero di computer necessari pereseguire 400.000 procedure di trigger inparallelo sarebbe troppo grande. Entroqualche anno per i progressi nellatecnologia di produzione dei chippermetteranno davere processori concentinaia di core per CPU. Attorno al2018/19, anno previsto per larealizzazione del nuovo progetto di trigger,saranno a disposizione per il mercato dilargo consumo nuovi computer dotati disistemi dual CPU (cio in cui uno stessoserver gestisce due CPU), ciascuna dotatadi 200 core: questo permetter dieseguire le operazioni necessarie con unarete di computer costituita da 1000 nodidi calcolo.

Le informazioni per ricostruire leventoconsistono in segnali prodotti da rivelatoridisseminati lungo i 21 metri di lunghezza ei pi di 10 metri di altezza di Lhcb, che quasi un nano rispetto agli altri dueesperimenti giganteschi, Atlas e Cms (vd.Asimmetrie n. 8 p. 18, ndr). I tantiframmenti dellevento sono trasmessi,attraverso circa diecimila fibre ottiche, a unaltro sistema, per essere riaggregati aricostituire levento completo. Come nella costruzione di un enormepuzzle, ciascun frammento deve avere unasua forma particolare che permetta dimetterlo al posto giusto; questa forma,chiamata in gergo indirizzo, deve esserecodificat

asimmetrie-17

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