Pubblicato su Politica Domani Num 50/51 - Set/Ott 2005

Workshop anch'io
Ai confini della fisica
Seguendo le previsioni di Einstein e Bose, nel 1995 i ricercatori dell'Università di Boulder, in Colorado, hanno raggiunto un "nuovo" stato della materia...uno stato mai visto, alle temperature più basse dell'universo. Ecco un esempio di come spiegare ai giovani cosa avviene

(dal sito dell'INFN di Milano: www.mi.infn.it)

Curioso: Quello che ho sentito sulla condensazione di Bose-Einstein mi fa pensare a una cosa molto strana. Che cos'è, e come è potuta venire in mente a qualcuno?
Fisico: Nei primi anni '20 Satyendra Nath Bose stava studiando l'idea nuova (per allora) che la luce si muovesse in pacchetti discreti (quelli che noi chiamiamo "quanti" o "fotoni"). Bose suppose determinate regole per decidere quando due fotoni dovevano essere contati come identici o differenti. Queste regole sono ora chiamate "statistica di Bose" (o a volte "statistica di Bose-Einstein").
C: Dove entra Einstein?
F: Bose ebbe dei problemi a far accettare le sue idee e a vederle pubblicate sulle riviste scientifiche; mandò quindi i suoi lavori a Einstein. Einstein, che a quel tempo era già uno scienzato molto importante, li apprezzò e usò la sua influenza per farli pubblicare.
C: Dunque tutto ciò che fece fu di usare la sua influenza, e per questo quei risultati portano il suo nome?
F: No, in realtà fece un'altra cosa molto importante. Einstein suppose che le stesse regole si potessero applicare agli atomi. Eglì calcolò il comportamento degli atomi applicando queste nuove regole. Ciò che le nuove equazioni dicevano era che, in generale, non c'era molta differenza rispetto alle vecchie regole, ecccetto che a temperature molto basse. Se gli atomi venivano raffreddati a sufficienza, ci si aspettava qualcosa di molto inusuale. Era un comportamento così strano che Einstein non era sicuro di aver proceduto correttamente.
C: Pensavo che Einstein avesse sempre ragione.
F: Non in questo caso. Diciamo che aveva ragione a metà, o forse un po' meno. Per prima cosa, non tutti i tipi di atomi seguono le regole della statistica di Bose (state in ascolto, presto arriverà una pagina sulla statistica di Bose-Einstein e di Fermi!). Comunque, alcuni atomi le seguono, e per questi le previsioni di Einstein erano giuste. Ma anche per questi, egli non si rese conto degli effetti più importanti che le sue equazioni prevedevano.
C: Se Einstein non se ne accorse, dovevano essere molto difficili da scoprire. Che cos'erano, e come sono stati trovati?
F: Gli effetti vengono dal fatto che, a temperature molto basse, la maggior parte degli atomi sono nello stesso livello quantistico.
C: Lo stesso livello quantistico? Cosa significa?
F: Ricordi che abbiamo discusso di come gli elettroni in un atomo possano assumere solo certe energie, che abbiamo chiamato i livelli energetici quanto-meccanici?
C: Vagamente.
F: Se metti un atomo in qualunque tipo di contenitore, può assumere solo certe particolari energie. Non può muoversi con la velocità che vuole. Deve scegliere fra un insieme di energie permesse.
C: Non ha senso. Io posso mettere una sfera in una scodella e dargli la velocità che voglio. Dove sono le tue energie permesse?
F: Sono così ravvicinate che non ci si accorge mai dei piccolissimi intervalli che ci sono fra di loro. Le equazioni di Einstein prevedono che a temperature normali gli atomi stiano su molti livelli differenti. Però, a temperature molto basse, una grande porzione di atomi improvvisamente precipiterebbe nel più basso livello energetico. L'esempio sotto mostra un modello di atomi in una scodella, con i livelli energetici molto ingranditi.
C: Quando abbasso la temperatura, vanno tutti sul fondo. Cosa significa?
F: Gli atomi che si ordinano sul fondo è quello che chiamiamo condensazione di Bose-Einstein, ed accade poiché questa dimostrazione è costruita secondo le equazioni di Einstein. "Cosa significa veramente" è probabilmente una domanda che Einstein avrebbe dovuto porsi, ma non lo fece. Non si rese conto di come sarebbe risultato strano un materiale con tutti gli atomi su un solo livello. Significa che tutti gli atomi sono assolutamente identici. Non c'è nessun esperimento che ci permetta di distinguerli.
C: Ma io posso semplicemente guardarli e vedere le diverse macchie nere che rappresentano i diversi atomi. Come possono essere identici?
F: Buona osservazione. Hai scoperto un errore di questa dimostrazione. In realtà, un atomo nel suo livello energetico più basso è un poco sparpagliato, quindi appare come una piccola pallina "mossa". Quando ha molti atomi nello stesso stato, tutte queste palline "confuse" sono esattamente una sopra l'altra.
C: Adesso non riesco a distinguere un atomo dall'altro; sono tutti nello stesso posto. Ma io so che gli atomi non si comportano veramente così. Io ho dei tavoli, delle seggiole, tutti oggetti che hanno una loro forma perché gli atomi sono disposti in posizioni differenti.
F: Adesso capisci perché ci volle tanto prima che si capisse cosa significava veramente la BEC. Gli atomi possono veramente stare tutti in uno stesso posto come questi, ma ciò contrasta con tutto quello che vediamo attorno a noi. È solo alle temperature incredibilmente basse necessarie per la BEC che essi perdono la loro individualità e si coagulano in un singolo "blob". Per questo motivo, questo stato è stato chiamato da qualcuno "super atomo".