Zerocalcare -- Comics & Science - The Light Issue

ZEROCALCARE

Nome d'arte di Michele Rech, è tra i più noti fumettisti italiani. Il suo ultimo libro è Macerie prime - 6 mesi dopo.

002/2018 ANDREA LAUSI

Dirige Xpress, la beamline indo–italiana di diffrazione ad alta pressione presso Elettra Sincrotrone Trieste.

ROBERTO VISINTINI

Una pubblicazione di

È attualmente responsabile del Laboratorio Alimentatori Magneti presso Elettra Sincrotrone Trieste.

in collaborazione con Istituto per le Applicazioni del Calcolo "Mauro Picone" del CNR ([email protected]) DIREZIONE EDITORIALE Roberto Natalini Andrea Plazzi

MATTEA CARMEN CASTROVILLI

È ricercatrice presso CNR-ISM e si occupa di spettroscopie con luce di sincrotrone e sorgenti laser ultra veloci.

COMITATO EDITORIALE Annalisa Buffa, Fabio Chiarello, Roberto Defez, Fabio Gadducci, Leo Ortolani, Giuseppe Palumbo REALIZZAZIONE Symmaceo Communications (MI) facebook.com/Symmaceo [email protected] PROGETTO GRAFICO Lorenzo "LRNZ" Ceccotti e Marianna Rossi

DANIELE CATONE

È ricercatore presso CNR-ISM e si occupa di spettroscopia risolta in tempo e con luce di sincrotrone.

GABRIELE BIANCHI

Ha studiato storia medievale ed è fra i fondatori di OrgoglioNerd.it, per cui cura la rubrica L'Università Invisibile.

IMPAGINAZIONE Alessio D’Uva HANNO COLLABORATO Mattia Di Bernardo, Giovanni Natalini, Jacopo Peretti Cucchi, Giada Rossi RINGRAZIAMENTI Carlo Callegari, Lara Gigli e Marco Zandrando (Elettra Sincrotrone Trieste), Riccardo Cucini e Tommaso Pincelli (CNR-IOM), Sara Di Marcello, OrgoglioNerd.it FOTO Roberto Barnabà pagine 30, 31, 40 Daniele Catone pagine 42, 43 Paolo Del Roncino pagina 1 (Daniele Catone) Giovanni Natalini pagine 33-36 Fabio Rinaldi pagina 1 (Andrea Lausi) Illustrazione di copertina di Zerocalcare Educazione Subatomica di Zerocalcare ©2018 Zerocalcare

WALTER LEONI

Fa fumetti, vignette umoristiche e satiriche, svuota cantine. Gliene sono successe di ogni ma non sta mai lì a raccontarlo.

Le illustrazioni alle pagine 33, 36, 39, 43, 45 sono di Walter Leoni ©2018 Walter Leoni published under agreement with Symmaceo Communications, Literary Agency Alberi Subatomici e Pentole Quantiche di Davide La Rosa ©2018 Davide La Rosa

DAVIDE LA ROSA

È un fumettista che non sa disegnare e quindi fa i "Fumetti Disegnati Male". Lavora anche per Dylan Dog.

Prima edizione: Ottobre 2018 Stampa A4 Servizi Grafici snc Chivasso (TO) Comics&Science è una co-produzione Lucca Comics & Games e Symmaceo Communications

INTRO

The Light Issue

La filosofia di Comics&Science è semplice: raccontare storie belle e interessanti, che divertano e incuriosiscano il lettore, spingendolo ad approfondire argomenti scientifici avanzati. Come la luce, anzi le sorgenti di "luce avanzata" che permettono di sondare i materiali a scale microscopiche. Su una cinquantina di sorgenti esistenti al mondo, due si trovano a Trieste: Elettra, un anello di accumulazione, e FERMI, un laser a elettroni liberi. Questo albo nasce da un viaggio che abbiamo compiuto per capire come funzionano. Un tema così denso di spunti meritava un grande narratore, in grado di trasmettere l’ansia di conoscenza, la curiosità e l’entusiasmo dei ricercatori. Un fumettista come Zerocalcare. Che ci ha stupito con una storia particolarmente ispirata e ricca di colpi di scena, brillanti trovate narrative, cruda realtà e sincere emozioni. Questo fumetto straordinario è accompagnato da un corposo apparato redazionale, a cura dei team congiunti del Centro di Ricerca Elettra Sincrotrone Trieste e del CNR-ISM. Oltre alle presenze irrinunciabili Davide La Rosa, Lercio.it e OrgoglioNerd.it, diamo poi il benvenuto a Walter Leoni e al suo umorismo leggero, acuto e sempre brillante.

SOMMARIO

Roberto Natalini Andrea Plazzi

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La luce è tutto LORENZO AVALDI

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Grazie al Cielo, luce è ANDREA LAUSI ROBERTO VISINTINI

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Gli accolli di Schrödinger MATTEA CARMEN CASTROVILLI

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La Realtà la decidiamo noi MATTEA CARMEN CASTROVILLI

5 EDUCAZIONE SUBATOMICA ZEROCALCARE

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Il Signore dell'Anello DANIELE CATONE

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Oltre ogni ragionevole dubbio GABRIELE BIANCHI

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L'edicola di Speciale Scienza

46 ALBERI SUBATOMICI E PENTOLE QUANTICHE DAVIDE LA ROSA

4 4

LA LUCE È TUTTO LORENZO AVALDI

Direttore dell’Istituto di Struttura della Materia del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-ISM)

Il mondo come lo vediamo, con i suoi colori e le sue sfumature, è il risultato dell’interazione della luce con gli oggetti che ci circondano. La luce percepita dal nostro occhio va dal colore viola al rosso e rappresenta solo una piccola regione dello spettro della radiazione elettromagnetica, che si estende dalle lunghezze d’onda più corte (raggi γ e X) a quelle più lunghe (infrarosso, microonde, onde radio). L’Istituto di Struttura della Materia (ISM) del CNR ha sempre utilizzato la radiazione elettromagnetica per "vedere" la composizione della materia alla nano- e micro-scala, con tecniche che vanno dalle "spettroscopie con radiazione di sincrotrone" alla "microscopia di campo vicino con radiazione infrarossa". Le diverse regioni dello spettro della luce vengono utilizzate per studiare differenti aspetti della materia. Così, se da un lato la diffusione di raggi X permette di studiare la struttura della materia, cioè la posizione degli atomi nelle varie forme che un materiale può assumere, dall’altro con le spettroscopie ottiche otteniamo informazioni rilevanti per lo sviluppo di nuovi materiali e dispositivi per la tecnologia e lo sviluppo di nuove diagnostiche in medicina. La luce, oltre a essere uno strumento per svelare i segreti della materia, è una fonte preziosissima di energia. Per tale ragione l’ISM è da sempre attivo nella modellizzazione e fabbricazione di nuovi materiali per la conversione dell’energia solare (fotovoltaico organico e solare termodinamico) e nella produzione di dispositivi per la rilevazione della radiazione elettromagnetica. La comprensione della natura della luce e delle sue potenzialità, ha visto un impegno continuo da parte di tutta la comunità scientifica e rappresenta un nodo cruciale per il progresso della nostra società.

Alle porte di Trieste si produce una luce speciale. Una luce che illumina i segreti della materia e gli aspetti più reconditi delle strutture naturali. Come il cuore di una stella.

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Grazie al Cielo, luce è

Le sorgenti avanzate di luce come Elettra e FERMI offrono strumenti unici per ampliare i confini della ricerca scientifica sui nuovi materiali e sulla materia vivente. Come centri di ricerca di base e applicata, le sorgenti di luce svolgono un ruolo importante per l’innovazione e la competitività industriale, rivoluzionando in molti campi le scienze fondamentali e applicate, tra cui agricoltura, archeologia, biologia, biomedicina, chimica, beni culturali, ingegneria, energia, scienze ambientali, scienze forensi, geologia, scienza dei materiali, nanotecnologia, nuovi farmaci e paleontologia. Queste sorgenti sono lo strumento più avanzato a disposizione della comunità scientifica e industriale per caratterizzare i materiali della nostra epoca. Grazie a loro è possibile ottenere informazioni su micro- e nano-strutture di materiali e manufatti non ricavabili in altro modo. L’industria lo ha capito e le

utilizza sempre più spesso per la ricerca nello sviluppo dei prodotti. Per la loro natura interdisciplinare, si tratta di strutture aperte a utenti esterni che costituiscono un ambiente ideale e naturale per un fecondo scambio di informazioni tra ricercatori che lavorano in ambiti anche molto diversi e hanno inoltre un forte impatto sull’istruzione e la formazione dei laureati, i nostri futuri scienziati. In tutto il mondo, migliaia di studenti laureati in biologia, chimica, scienze dei materiali, mediche e dell’ambiente e altre discipline hanno fatto sulle sorgenti avanzate di luce ricerche di altissimo livello per le loro tesi di dottorato di ricerca. Disporre di una tale risorsa è stata una delle principali motivazioni che ha spinto molti paesi a realizzare sorgenti di questo tipo sin dall’inizio degli anni Ottanta. Operante per utenti esterni fin dal 1994, Elettra Sincrotrone Trieste è un centro di

ANDREA LAUSI ROBERTO VISINTINI | Grazie al Cielo, luce è

ANDREA LAUSI ROBERTO VISINTINI

Il "Ponte" è l'unico accesso all'acceleratore circolare (al di sotto si intravvede il tunnel in blocchi di cemento che contiene l'Anello di Accumulazione)

ricerca internazionale al servizio della scienza e dell’industria. Il centro ospita due sorgenti luminose avanzate: Elettra, un anello di accumulazione, e FERMI, un laser a elettroni liberi. La luce prodotta dalle due sorgenti viene trasferita a oltre 30 stazioni sperimentali specializzate in molti campi, tra cui chimica, microscopia, scienza dei materiali, elettronica e informatica. L’accelerazione è un cambiamento di velocità o direzione di movimento. Quando vengono accelerate, tutte le particelle elettricamente cariche emettono radiazione elettromagnetica, che noi chiamiamo "luce". Sia i protoni che gli elettroni, quando vengono accelerati, emettono luce, e a parità di condizioni gli elettroni, più leggeri, hanno emissioni maggiori dei protoni. Per questo motivo tutte le sorgenti avanzate di luce, operanti o in costruzione, utilizzano elettroni. I due tipi principali di sorgenti sono gli

anelli circolari chiamati sincrotroni o sorgenti di luce di sincrotrone, e strutture lineari chiamate laser a elettroni liberi ("Free Electron Laser": FEL). Vi sono al mondo circa una quarantina di sorgenti di luce di sincrotrone e una decina di FEL. Ogni impianto possiede caratteristiche individuali e capacità in qualche modo diverse, ma il principio di base è lo stesso per tutti: 1) accelerare elettroni a una velocità prossima a quella della luce; 2) forzare gli elettroni a deviare dalla traiettoria rettilinea costringendoli a passare tra i poli nord e sud di un magnete. Il cambiamento di direzione costituisce l’accelerazione che fa emettere la luce. Nelle sorgenti circolari gli elettroni sono accumulati e confinati in movimento all’interno di una struttura ad anello, per periodi anche di decine di ore. A ogni deviazione gli elettroni emettono radiazione elettromagnetica, sia visibile che invisibile, da lunghezze d’onda molto lunghe (infrarosso) a lunghezze d’onda molto corte (raggi X). La radiazione è emessa tangenzialmente all’anello

Gli impulsi di luce di un FEL sono mille volte più brevi di quelli di un anello di accumulazione e miliardi di volte più intensi. Ciò ha aperto nuove possibilità di ricerca in molti campi diversi: l’invenzione e lo sviluppo dei FEL ha aperto una nuova finestra sulla ricerca fondamentale. Per esempio, la durata estremamente breve degli impulsi da un FEL, solo 30 femtosecondi di lunghezza (un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo!) consente di realizzare un "filmato" dei processi molecolari fondamentali mentre si verificano. E la grandissima intensità dei fasci di luce permette di ottenere e studiare stati della materia in condizioni estreme, come per esempio quelle presenti all’interno di una stella. Translated and adapted with permission from Advanced Light Sources and Crystallography, Tools of Discovery and Innovation, published by LAAAMP, Editor Dr. E. Malamud. Copies of the complete 24-page brochure in English, French, or Spanish, can be requested to [email protected]. It is also available on the LAAAMP web page: http://laaamp.iucr.org

ANDREA LAUSI ROBERTO VISINTINI | Grazie al Cielo, luce è

e viene incanalata in linee di luce, laboratori costruiti intorno all’anello dove gli scienziati eseguono in parallelo esperimenti con varie tecniche. A Elettra sono attualmente funzionanti 28 linee indipendenti, che utilizzano la radiazione di sincrotrone dall’infrarosso ai raggi X. Tra i diversi tipi di strutture magnetiche presenti sull’anello, quelli che producono la luce più intensa sono gli ondulatori, strutture magnetiche periodiche formate da numerosi magneti i cui poli nord e sud si alternano nell’orientamento. Questo dispositivo stimola l’emissione di radiazione di sincrotrone, costringendo il fascio di elettroni a ondulare mentre lo attraversa, da cui il nome. I laser convenzionali utilizzano variazioni di energia di elettroni legati ad atomi di materiali diversi per produrre la loro radiazione luminosa. Nei laser a elettroni liberi come FERMI, invece, gli elettroni non sono legati ad atomi ma si muovono in un acceleratore lineare di particelle e l’emissione di luce viene stimolata dal passaggio attraverso catene di ondulatori.

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È un amatissimo fumettista italiano. Lo invitano a visitare un acceleratore di particelle. Non ne sa nulla. E accetta. Perché?

Gli accolli di Schrödinger MATTEA CARMEN CASTROVILLI

Siamo in presenza del Maestro Zerocalcare per una serie di domande. Non so se riuscirò a essere serio per tutta la durata dell’intervista. Saremo super professionali. Partiamo dalla prima domanda: come è nata l’idea di buttarti in un progetto scientifico? Dunque, in realtà l’idea è nata da due episodi diversi, anzi da un po’ di cose diverse. In parte sono stato ispirato da Boulet. Quando ho visto, per esempio, che provava a fare questo lavoro di divulgazione a fumetti buffi su alcuni temi scientifici, l'ho trovato super divertente. Certo lui era molto più ferrato di me e tra l’altro lo faceva con il supporto di uno sceneggiatore che spesso era uno scienziato. Però mi sembrava molto figo come meccanismo

ed era una cosa che mi interessava, di cui non sapevo niente, ma mi interessava. E poi c’è stato quest’altro episodio, mi sembra fossimo a una presentazione a Como, in cui un mio lettore mi ha attaccato una pippa infinita, sulla questione del paradosso del gatto di Schrödinger, che può essere vivo o morto contemporaneamente. Lui sosteneva che un atomo esiste in un punto dello spazio solo nel momento in cui lo misuri e se tu non lo misuri, quell’atomo non esiste. O qualcosa del genere. Ci ho litigato per un’ora! E ho continuato a litigare con tutte le persone che venivano alle mie presentazioni, e dicevano di studiare fisica. Quando mi chiedevano un disegno, io chiedevo loro questa cosa del gatto di Schrödinger e ogni volta che mi ribadivano che quello lì aveva ragione, io litigavo anche con questi altri! Quindi mi era venuta voglia di cimentarmi in questa esperienza.

Be', il paradosso proviamo a spiegarlo nei contenuti scientifici di questo Comics&Science... che non esisterebbe senza il tuo contributo. Lo considero comunque insufficiente!

Io in realtà non frequento tanto chi fa arte, ma nell’ambiente scientifico tutto sommato mi sono trovato abbastanza a mio agio. Le persone che ho conosciuto avevano tutti quella serie di tratti strani che abbiamo pure noi. Però devo dire che in verità, paradossalmente, la cosa su cui ho trovato più similitudini non è tanto nell’inclinazione caratteriale, o cose simili, quanto nel dover gestire tutta una serie di aspetti economici del dover arrivare alla fine del mese nella precarietà assoluta, che probabilmente ci accomuna più di tante altre cose. In generale, qual è il tuo rapporto con la scienza? Ti fai delle domande scientifiche su dei fenomeni che accadono?

temporali: mi ossessionò. E di solito vado a cercare i video e le spiegazioni di quello che mi interessa online, ma non ci capisco mai niente. Io sono una pippa, ho fatto il classico e non sono mai riuscito, neanche alle medie, ad andare bene nelle materie scientifiche. Quindi in realtà vivo un rapporto di frustrazione, perché vorrei sapere un sacco di cose ma non ci arrivo proprio.

Mi faccio un sacco di domande sulle cose che leggo. Tipo la questione dei cristalli

Che cosa vorresti che in futuro gli scienziati scoprissero o sviluppassero,

MATTEA CARMEN CASTROVILLI | Gli accolli di Schrödinger

Hai trovato grosse differenze o similitudini tra chi fa scienza e chi fa arte? Siamo tutti fuori di testa allo stesso modo?

per te, per l'umanità o in generale per l’universo intero?

un ricercatore prova a immaginarsi un esperimento?

Ma è evidente che io vorrei la clonazione dei dinosauri. È quello su cui la scienza dovrebbe concentrarsi maggiormente in questo momento.

Be’, devo confessare che fatico a trovare una similitudine. Perché io purtroppo ho una soggezione infinita nei vostri confronti e dei ricercatori/scienziati in genere. Già di base ce l’ho dei laureati. Perché li considero più intelligenti di me.

Mi pare giusto. Tutti i fondi dovrebbero essere spesi per questo. Certo! Perché l’umanità prospererebbe se cominciassimo a clonare i dinosauri! In alternativa, se la scienza facesse anche qualche sforzo per sviluppare il teletrasporto, sarei contento. A quale scopo? Per poter andare dal divano al letto senza doversi alzare. Mi pare ovvio. Viaggi temporali no? No, quelli non mi sembrano tanto alla nostra portata. Ma ti senti anche tu un po’ un ricercatore quando immagini o cerchi di inventare una storia? Come quando

Be’, ma non è una laurea a rendere intelligenti le persone. Questo è vero. Ma io fatico proprio a trovare delle similitudini, perché nel mio lavoro io sento di fare qualcosa di estremamente naturale e in qualche modo spontaneo, mentre invece le cose che fate voi mi sembra che abbiano dietro un lavoro, un impegno e uno sforzo che trovo inarrivabili. Visti i presupposti, creare questo fumetto scientifico ti ha messo ansia? Sì, un sacco. In realtà io l’avevo finito da più giorni, ma non avevo il coraggio di mandarvelo. Avevo tantissima ansia. All’inizio mi sembrava tutto super facile quando eravamo a Trieste, ma poi, dopo

35 aver scoperto di aver perso gli appunti mi è salita l’ansia. Quando era giunto il momento di ritradurre a parole mie tutto quello che mi avevate spiegato e fatto vedere mi sembrava di farvi un torto gigantesco, perché sentivo di avervi fatto perdere un sacco di tempo. Vi eravate impegnati a spiegarmi delle cose che hanno per voi un grado di complessità pari a zero ma che per me, in una scala da 0 a 10, era comunque già 10 e io ve lo stavo riportando a un valore di meno 10. E quindi vi assicuro che me la sono vissuta male male. Cosa ti ha colpito di più di questa esperienza? Questa cosa della precarietà: può sembrare una sciocchezza, ma è la cosa che ho raccontato di più a tutti. Non è soltanto per via del fatto che siamo tutti precari, che la nostra è una generazione di precari. Ma in realtà a Trieste, parlando con chi ho incontrato, ho avuto l’impressione di relazionarmi con delle persone che sono comunque tra l’eccellenza di questo paese. Gente che in qualche modo questo paese avrebbe

dovuto curare, coccolare e cercare di sostenere al meglio per non costringerli ad andare da qualche altra parte, ma anzi permettere loro di continuare a fare quello che fanno nelle migliori condizioni possibili. In generale, tutta la nostra generazione viene trattata male in questo paese, in un sacco di ambiti, ma vedere che anche voi venite trattati così è ancora più sconvolgente. E vi trattano pure peggio di altri. Questa cosa mi ha colpito un sacco perché è proprio il contrario di investire nel progresso.

36 prendo la macchina, sono convinto che ad ogni incrocio in cui c’è un semaforo, io mi sdoppio e comincia a esistere un universo in cui ammazzo qualcuno mettendolo sotto con la macchina. Quindi io vivo nel terrore. Cioè, se sono qui a raccontarlo è perché finora sono sempre stato quello sdoppiato che non ha mai ammazzato nessuno e che non è stato mai ammazzato. Ma temo sempre che arrivi quel momento che nella sdoppiatura io sarò quello a cui gli ha detto male. Ma io questa cosa c’è l’ho in testa da sempre sempre sempre. Ora mi viene da piangere. Però ti dico che questa roba qua mi ha colpito talmente tanto che l’ho raccontata a chiunque, anche a mia madre. Quella sera a cena, quando ci siamo fatti con tutti gli altri quella chiacchierata sul precariato mentre mangiavo la lubjanska, io sono rimasto impressionato, ma proprio tanto. Più che dalla lubjanska. L’ultima domanda è la più facile: come ti fa sentire l’avere percezione di soltanto uno dei multiuniversi possibili? Esiste secondo te un altro Michele in un altro universo? Noi non abbiamo mai parlato di questa roba in questi termini ma devi sapere che ancora adesso, e sin da quando sono piccolo, sono convinto che tutte le volte che attraverso la strada, l’universo si sdoppia e c’è un Michele che muore perché viene investito da una macchina e un altro Michele, che sono io, che va avanti nella vita. Grazie per aver sottolineato che sei tu quello che sopravvive. Però c'è comunque un universo in cui mia madre sta piangendo perché sono morto. Ma ti dirò di più, ogni volta che

Quindi possiamo dire che vivi la tua vita in un perenne stato di ansia? Esattamente: io vivo in questa ansia da sliding doors continua. Quindi è da questo che deriva la tua ansia. Non dalle scadenze e dagli accolli? Possiamo svelarlo finalmente? Assolutamente.

Si fa beffe del senso comune. È all'origine dei più esotici effetti quantistici. Ci si può solo arrendere alla sua realtà. L'ineffabile dualismo onda-particella.

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La Realtà la decidiamo noi

L’esperienza quotidiana ci suggerisce che gli oggetti che formano il mondo che ci circonda (città, fiumi, montagne...) esistono anche se noi non li guardiamo. Sebbene questo concetto possa essere messo in discussione da un punto di vista filosofico, la realtà della vita di tutti i giorni ci dice che la descrizione dei fenomeni del mondo macroscopico è oggettiva, cioè non dipende da chi li osserva. Per descrivere un oggetto o un evento, basta semplicemente guardarlo. "Se lo vedo, posso capirlo e quindi posso trovare un modo per spiegarlo". Su questo si è basata e si basa tuttora la fisica classica. Nel mondo microscopico tutto ciò non funziona più. Per riuscire a descrivere le stranezze dell’infinitamente piccolo, gli scienziati hanno dovuto formulare una nuova teoria, la Meccanica Quantistica, un po’ bizzarra, che va al di là del senso comune, ma che ha il grande pregio di

funzionare. Ma che cosa è esattamente la Meccanica Quantistica? E che cosa ha a che fare con la luce? La risposta a queste domande nasce dal fatto che per spiegare la natura intima di un materiale, come per esempio studiare la sua composizione atomica (cioè togliere la "maschera di ferro" della nostra storia), gli scienziati utilizzano la luce come strumento di indagine. E qui sorge il primo problema. Per un certo periodo, nella storia della fisica, si è dibattuto a lungo se la luce fosse un’onda di un qualche tipo oppure fosse formata da particelle, piccoli "pezzi" di un qualche cosa. La domanda sorse per spiegare i risultati di due esperimenti che sembravano dare informazioni sulla natura della luce in apparente contraddizione tra di loro. L’esperimento di Thomas Young o della doppia fenditura1 dimostrava che la luce si propagava come un’onda, molto simile

MATTEA CARMEN CASTROVILLI | La Realtà la decidiamo noi

MATTEA CARMEN CASTROVILLI

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Fotoni

Elettroni

Metallo

Se ci pensate però, questa complementarietà non è inusuale, né incomprensibile. Immaginate di incontrare per strada Clark Kent a quelle che si generano lanciando un (proprio lui) e di assistere insieme alle sasso in uno stagno. La spiegazione di malefatte del cattivo di turno. Clark Albert Einstein dell’effetto fotoelettrico2 descriveva invece la luce come composta correrà immediatamente nella prima cabina telefonica per prendere le da piccole particelle di energia, "corpuscoli ", i cosiddetti quanti di luce: da sembianze di Superman e intervenire. Quindi a seconda dell’"esperimento" cui il nome di Meccanica Quantistica. (vita quotidiana o lotta al crimine), Clark Oggi sappiamo che queste assume due nature diverse. rappresentazioni (onda-particella) non Il ricercatore, scegliendo l’esperimento sono in contraddizione tra loro, ma più appropriato, è in grado di sfruttare entrambe descrivono la natura della la duplice natura della luce per indagare luce come affermato dal Principio di i misteri della materia. Per esempio Complementarietà3 enunciato da Niels usando i fenomeni della riflessione, Bohr. Tuttavia, i due aspetti non si della diffusione e della rifrazione, manifestano contemporaneamente: un si approfitta del comportamento esperimento che consente di osservare ondulatorio per definire la struttura un aspetto (per esempio l’onda), del materiale (distanza fra gli atomi impedisce il manifestarsi dell’altro (la componenti e loro dislocazione/ particella). In analogia con la luce, è distribuzione spaziale), come il "sale" stato poi proposto e successivamente di Educazione subatomica. Per ottenere dimostrato sperimentalmente che a informazioni sulla composizione livello microscopico tutta la materia chimica del materiale e la struttura manifesta questa natura duale. Perciò, elettronica degli atomi/molecole che lo l’elettrone non è semplicemente una compongono, si deve invece considerare piccolissima "biglia" che ruota attorno la natura "particellare" sia della luce al nucleo di un atomo, come i pianeti che degli elettroni . In questo caso gravitano intorno al sole, ma ha bisogna osservare cosa succede quando anch’esso natura quantistica, al tempo un fotone – cioè il quanto di luce – stesso ondulatoria e corpuscolare, esattamente come la luce che utilizziamo interagisce con un atomo, costituito da un nucleo, formato di protoni e neutroni, per vederlo. Che confusione...! Rappresentazione schematica dell'effetto fotoelettrico.

estremamente curioso con cui il fisico deve fare i conti. L’operazione di misura in Meccanica Quantistica ha un ruolo completamente diverso rispetto a quello che svolge nel mondo macroscopico. La descrizione in termini "ondulatori" degli oggetti quantistici fa sì che essi possano esistere in diversi stati, ciascuno con una probabilità diversa, e che il sistema sia rappresentabile dalla "sovrapposizione" di tutti questi possibili stati. Esattamente come nel caso di Clark Kent: quando nei fumetti entra in una cabina telefonica, noi non sappiamo se uscirà Superman o di nuovo Clark Kent. La Meccanica Quantistica ci dice che in questo caso, il sistema nella cabina viene descritto da una persona che può essere sia Superman che Clark Kent, o in termini scientifici, che il nostro sistema viene descritto da un’oscillazione tra questi due stati. Solo l’apertura della porta ci potrà far "vedere" in quale di questi due stati si trovi il sistema Kent/Superman. In Meccanica Quantistica, l’osservatore che effettua la misura, ha una grandissima influenza sul risultato: questa è una differenza cruciale rispetto alla fisica classica. In Meccanica Quantistica l’atto della misura/ osservazione fa "collassare" il sistema in uno dei suoi stati possibili. A causa dell’osservazione, l’indeterminazione

MATTEA CARMEN CASTROVILLI | La Realtà la decidiamo noi

39 con elettroni che sono legati al nucleo da forze elettrostatiche. Le proprietà quantistiche degli elettroni consentono loro di acquisire energia dal fotone, oppure di cedere energia in quantità discrete sotto forma di fotoni. Possiamo immaginare gli elettroni intrappolati in specifici livelli all’interno dell’atomo, come se fossero posti su diversi piani di un grattacielo. È possibile che interagendo con un fotone, un elettrone acquisisca un quanto di energia sufficiente a transitare da un livello a un altro, cioè salga di un piano nel grattacielo (processo di assorbimento). Un elettrone eccitato in questo modo potrebbe poi ritornare al suo livello originale, scendendo di un piano e riemettendo il fotone assorbito (processo di fluorescenza). Nel caso in cui il fotone fornisca all’elettrone un’energia in grado di superare l’attrazione elettrostatica del nucleo, l’elettrone viene strappato dal suo atomo (processo di fotoemissione), cioè sbalzato via dal tetto del grattacielo. Gli esperimenti che sfruttano la natura duale delle interazioni quantistiche tra luce e materia sono il grimaldello che i fisici utilizzano per squarciare quel velo che separa l’uomo dalla comprensione della struttura microscopica della materia di cui è costituito l’universo. Ma non finisce qui: c’è un altro aspetto

40 probabilistica intrinseca nel sistema quantistico (Kent/Superman) "collassa" in un valore deterministico (o Kent o Superman). In altre parole: l’osservazione di un fenomeno ci rende parte integrante della realtà che vogliamo osservare (cioè siamo tutti "supereroi"...!) 1

certe condizioni, essa emetteva piccole particelle elementari chiamate elettroni. L’interpretazione di questo fenomeno si deve ad Einstein, il quale ipotizzò che la luce fosse costituita da particelle di energia, che da allora chiamiamo quanti di luce. I quanti, colpendo la superficie metallica, ne facevano fuoriuscire gli elettroni, più o meno come una biglia ne colpisce un’altra spingendola via. Fu proprio questa intuizione che Einstein ricevette il premio Nobel per la Fisica nel 1921.

l’effetto fotoelettrico. si osservò che colpendo con un fascio di luce una lamina di metallo, in

3 Il principio di complementarietà fu enunciato da Niels Bohr al Congresso internazionale dei fisici tenutosi a Como nel 1927, in occasione del centenario della morte di Alessandro Volta. Bohr ipotizzò che le nature ondulatoria e corpuscolare della luce non si escludono reciprocamente, ma sono in realtà complementari, perché l’apparato sperimentale utilizzato per rivelare la natura ondulatoria è diverso ma complementare a quello impiegato per rivelarne la natura corpuscolare. Il punto importante, che è la vera novità della fisica moderna, è che è l’osservatore, scegliendo il tipo di apparato sperimentale, a decidere quale delle due caratteristiche, onda o particella, verrà osservata. Non si può dire nulla circa la natura della luce a priori, indipendentemente dall’apparato sperimentale scelto per la misurazione.

l’esperimento della doppia fenditura può essere eseguito ponendo un piccolo laser dietro una lastra sulla quale siano state incise due fenditure. Il raggio laser, passando attraverso le due fenditure proietta una figura di interferenza su uno schermo posto in fondo al cammino. Cos’è una figura di interferenza e perché questo risultato fu così sorprendente? L’immagine che si delinea dal passaggio della luce attraverso le due fenditure è costituita da bande di luce alternate a strisce scure che identificano rispettivamente i punti in cui i fronti d’onda luminosi si sommano o si annullano a vicenda. La stessa immagine si avrebbe se si lanciasse un sasso in uno stagno e si lasciassero propagare le onde, così formatesi, attraverso le due fenditure. 2

Turni stressanti, fallimenti, delusioni. Ma anche delusioni, fallimenti, turni stressanti. Poi, una volta su mille, il Risultato. Quanto è glamour la vita del ricercatore?

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Il Signore dell'Anello DANIELE CATONE

così freddo che ho avuto la certezza di essermi perso almeno un orecchio durante la camminata! Oggi per fortuna il clima è più clemente e fare due passi aiuta a svegliarsi per bene, prima di affrontare la nottata di lavoro. Appena arrivo sulla linea2, i colleghi mi aggiornano sull’andamento delle misure della giornata e decidiamo le condizioni sperimentali da utilizzare per acquisire i dati durante il turno di notte. #acquisizione_e_analisi_dati_002.txt Δh = 22:00–3:00 Al sincrotrone ci sono esperimenti che prevedono un costante cambiamento delle condizioni di acquisizione dati e che richiedono una continua azione umana. Poi ci sono esperimenti che si svolgono con lunghe acquisizioni (anche di ore) e che tra una misura e l’altra prevedono poche modifiche alle condizioni sperimentali. Il turno

DANIELE CATONE | Il Signore dell'Anello

#inizio_turno_001.txt Δh = 19:00–22:00 Non mi abituerò mai a fare colazione con una pizza, ma quando si deve fare il turno1 di notte non si può pretendere di vedersi servire un bel cappuccino e cornetto alle sette di sera. Oggi poi il ristorante dell’albergo è particolarmente affollato di persone che trascorrono in compagnia il loro sabato sera e mi ricordano che fra pochi giorni anche io tornerò ad un ritmo di vita normale, ma oggi no, oggi è un giorno di turno come un altro al sincrotrone, e la luce non conosce sabati o domeniche. Anzi, è bene che mi sbrighi a raggiungere i laboratori, altrimenti chi li sente i colleghi che aspettano me per andare a cena?! La passeggiata per raggiungere l’anello non è sempre piacevolissima, dipende dalla stagione e dal tempo. Ieri sera, per esempio, ho dovuto farmi tutto il percorso sottozero e con la bora. Faceva

#fine_turno_004.txt Δh = 5:00–8:00 Dopo qualche chiacchiera davanti alle macchinette automatiche con gli altri colleghi che come me attendono il ritorno della luce, una voce quasi divina riecheggia dall’alto, spazzando via le ansie dei ricercatori: "Luce Utenti. Luce Utenti."5 Una nuova alba sorge e tutti si precipitano sulle beamline per fare

ripartire gli esperimenti nel più breve tempo possibile. Ogni fotone è prezioso! Io non sono da meno e in un attimo sono sulla linea (essere vicino alle macchinette del caffè ha molti vantaggi): valvole aperte; energia selezionata; rivelatore acceso; acquisizione partita. La luce torna e tutto può ricominciare da dove era stato interrotto. L’accesso al sincrotrone viene concesso con l’approvazione di un preciso progetto di ricerca, a cui viene assegnato un periodo di misure da svolgere in un numero stabilito di giorni. La giornata di lavoro al sincrotrone è suddivisa in tre turni (shift) da otto ore ognuno. 1

2 La linea (o beamline) è il laboratorio presso cui si effettuano le misure. Viene comunemente chiamata "linea" perché è una struttura lineare che trasporta la luce di sincrotrone dall’anello alla stazione sperimentale.

Gli esperimenti possono studiare campioni solidi, liquidi o molecole in fase gassosa.

3

Nel gergo da sincrotrone, con l’espressione "È caduto il fascio" si intende che la luce ha smesso di essere prodotta, a causa dell’interruzione del fascio di elettroni che circolano nell’anello. Tale situazione può verificarsi a causa di malfunzionamenti della strumentazione responsabile di mantenere stabile l’orbita del fascio di elettroni all’interno dell’anello di accumulazione. 4

Comunicazione che viene data per avvertire che la luce è di nuovo disponibile.

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DANIELE CATONE | Il Signore dell'Anello

caduta del fascio non sia stata causata da un guasto grave e che quindi in tempi brevi si possa riprendere a lavorare. In questi momenti di febbrile attesa, c’è un solo amico che può sorreggerti. Il caffè.

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Le verità della Scienza sono sempre parziali e temporanee. Ma questo non impedisce loro di essere solide e affidabili.

Oltre ogni ragionevole dubbio GABRIELE BIANCHI

"Una cosa ho imparato nella mia lunga vita: che tutta la nostra scienza, commisurata alla realtà, è primitiva e infantile, eppure è la cosa più preziosa che abbiamo". Le citazioni di Einstein sono un modo un po’ facilone per aprire un articolo ma questa è particolarmente azzeccata per introdurre il nostro argomento, cioè una caratteristica della scienza che è chiarissima agli addetti ai lavori, ma spesso fraintesa dal pubblico: la sua intrinseca imperfezione. Ogni teoria scientifica è il risultato della più accurata comprensione teorica del mondo e della migliore tecnologia a disposizione in un determinato momento storico. La tecnologia, però, è in costante evoluzione, e i dati sono sempre aumentati nel tempo, in quantità e precisione: la conoscenza scientifica di oggi è la fotografia di ciò che gli strumenti che abbiamo a disposizione

ci consentono di scoprire. Domani ne avremo di più perfezionati, che ci permetteranno di scoprire errori che oggi nemmeno sospettiamo di aver compiuto. Questo significa che la scienza, per definizione, non può arrivare a stabilire cosa sia vero in senso assoluto, ma sarà sempre soggetta a revisioni. Karl Popper ha concluso che una teoria scientifica non può mai essere verificata, ma solo falsificata. Ovvero: non esiste per principio una quantità sufficiente di dati che mettano una teoria al riparo dalle smentite, perché non c’è modo di sapere a quale conclusione porterà l’esperimento successivo. Viceversa, basta un solo esperimento per dimostrare che è scorretta. L’esempio classico è quello del colore dei cigni: la teoria "tutti i cigni sono bianchi" non può essere verificata a prescindere da quanti cigni passeremo in rassegna, perché non potremo mai avere la certezza che il

45 probabile ottenere comunque dati che sembrerebbero confermarla? Più è basso questo valore, maggiore è la probabilità che quei dati non siano stati rilevati per caso, quindi maggiore è l'affidabilità dei dati stessi e delle conclusioni che possiamo trarne. La scoperta del bosone di Higgs è stata presentata dai ricercatori con un’approssimazione di "cinque σ", che corrisponde alla probabilità di 3 per 10-7. Significa che gli scienziati stimano che ci sia circa una possibilità su 3,3 milioni che i dati che hanno registrato si possano rilevare nel caso che il famigerato bosone non esista. Insomma: nella scienza il dubbio non può essere eliminato del tutto. Gli scienziati si devono esprimere sempre e necessariamente in termini statistici, perché la possibilità di un errore – non importa quanto piccola – esiste sempre. Ma, al tempo stesso, è altrettanto importante assegnare la giusta importanza a questa incertezza: come i tribunali, che riconoscono alle proprie decisioni una validità non assoluta, ma solo "oltre ogni ragionevole dubbio", così fanno gli scienziati, che convivono con l’incertezza, la misurano, e misurandola cercano di ridurla quanto più possibile. Ecco perché, anche per questo e nonostante tutto, la scienza è "la cosa più preziosa che abbiamo". GABRIELE BIANCHI | Oltre ogni ragionevole dubbio

successivo sarà bianco... però ci basterà trovare un singolo cigno nero per dire che è stata smentita. Ma allora, dirà qualcuno, perché mai dovremmo esaltarci per ogni scoperta e successo della scienza, se non c’è modo di sapere che le cose stiano davvero così? Se possiamo solo provare il falso, mai il vero, non significa che, in fondo, dobbiamo accettare delle teorie che sappiamo verranno smentite, solo perché la tecnologia di oggi non ci permette di trovarne gli errori? No, perché l’esistenza di un ineludibile grado di incertezza nelle affermazioni scientifiche non equivale a dire che esse siano prive di validità, né che non disponiamo di alcuno strumento per determinarne l’affidabilità. Anzi, buona parte del lavoro degli scienziati consiste proprio nel gestire questa incertezza, nel quantificarla e nel contestualizzarla. Gli esperimenti vengono ripetuti, in continuazione e da ricercatori diversi. Se due esperimenti identici forniscono risultati differenti quello è un segnale che c’è qualcosa che non va; se due, e poi tre, e poi quattro esperimenti identici forniscono i medesimi risultati possiamo dire di essere sulla buona strada. Popper respingeva l’idea della verificabilità, ma la sostituiva con quella della corroborazione: sebbene non si possa confermare una volta per tutte una teoria, è però vero che ogni esperimento può renderla più solida, più affidabile. È quindi importante mettere le cose nella giusta prospettiva. In fisica sperimentale c’è un significativo metodo di controllo che gli scienziati utilizzano per quantificare e analizzare il grado di incertezza dei propri risultati, una grandezza statistica indicata con la lettera greca σ ("sigma"). La σ, che permette agli scienziati di calcolare la probabilità che i dati raccolti possano essere frutto del caso. Poniamo che un esperimento voglia verificare una correlazione fra A e B. Assumendo che non ce ne sia alcuna, quanto è

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L TEMPO INVENTA LA MACCHINA DE SICA OGNI ANNO E VINCE IL NOBEL PER LA FI