Cosa è la Fisica?
(Fonte: unito.it)

La Fisica indaga l'universo materiale nei suoi aspetti più fondamentali, ricerca e formula leggi generali per la descrizione dei fenomeni naturali, pone alla base della validità di tali leggi il confronto tra la teoria e l'esperienza.
Le leggi devono essere dotate di potere predittivo. Le leggi di carattere generale devono potersi applicarsi a sistemi di dimensioni completamente diverse: dalla scala subatomica fino a quella cosmologica. Ad ogni scala si possono inoltre avere modelli specifici (dedotti o comunque compatibili con le leggi generali) che descrivono il comportamento delle grandezze fisiche importanti a tale scala.

Alla base della scienza e della tecnologia

La Fisica e la Matematica sono alla base di tutte le scienze. La Fisica ha quindi stretti legami interdisciplinari, ad esempio, con la Matematica, la Chimica, la Medicina e tutte le Scienze della Vita.
La Fisica ha importanza ed impatto innovativo notevole in moltissimi campi applicativi e tecnologici, quali ad esempio, l'Elettronica, l'Informatica, la Meteorologia, l'Ecologia e di recente anche l'Economia.

Nella ricerca fondamentale

L'attività di un fisico impegnato nella ricerca di base può essere teorica o sperimentale.
Il fisico teorico elabora teorie e modelli sulla base delle conoscenze empiriche e ne studia le conseguenze, riconducendole a uno schema "comprensibile", matematicamente consistente e dotato di potere predittorio.
Il fisico sperimentale individua gli esperimenti atti a verificare o confutare le teorie, sceglie e progetta i dispositivi sperimentali, analizza i dati e li interpreta sulla base degli schemi teorici.
In molti ambiti della ricerca fondamentale è al giorno d'oggi difficile che uno stesso ricercatore si occupi dei due aspetti.

Nella ricerca applicata e nel mondo del lavoro in genere

Un fisico che lavora come tale in campo applicativo, ad esempio in un industria, si trova più frequentemente a svolgere attività sia di tipo teorico che sperimentali:

da un lato, elaborare modelli trattabili di situazioni reali, analizza i metodi risolutivi di classi di problemi, ...
dall'altro, è direttamente impegnato in realizzazioni di apparati, in misure, tests, ...

Oltre le distanze accessibili

La teoria delle stringhe

Formulare una teoria unificante per tutte le interazioni fondamentali è fin dai tempi di Einstein uno dei principali obiettivi della fisica teorica. Una unificazione parziale è già realizzata dal Modello Standard poiché in esso le forze nucleari forte e debole e le forze elettromagnetiche, i cui effetti nell'esperienza comune ci appaiono molto diversi, sono interpretate come aspetti differenti di un'unica interazione fondamentale. Da questa unificazione è però esclusa la forza di cui ci accorgiamo più facilmente nella vita quotidiana: la gravità.
Oggi però esiste una proposta convincente per questa unificazione ed è la cosiddetta Teoria delle Stringhe. Secondo questo modello i costituenti fondamentali della materia sarebbero delle minuscole cordicelle, dette appunto stringhe, le cui vibrazioni produrrebbero le varie particelle elementari, così come le vibrazioni di una corda di violino producono le diverse note musicali. La cosa sorprendente è che fra le varie note emesse dalle stringhe vi sono sia le particelle responsabili delle interazioni nucleari e elettromagnetiche sia quelle responsabili dell'interazione gravitazionale e quindi in una teoria basata sulle stringhe l'unificazione quantistica di tutte le forze fondamentali è realizzata in modo naturale.

Super-stringhe e "teoria M"

La teoria delle stringhe è stata sviluppata in varie fasi a partire dalla fine degli anni '60 e da allora sono stati formulati moltissimi modelli per descrivere il mondo reale delle particelle elementari, tutti però riconducibili a cinque teorie-base dette teorie di superstringa. Queste teorie, che si basano fra l'altro su una elegante struttura matematica, presentano tuttavia anche alcuni aspetti sconcertanti, primo fra tutti quello di prevedere che lo spazio-tempo non abbia solo quattro dimensioni ma ne abbia in realtà dieci.
Nella seconda metà degli anni '90 si è compiuto un ulteriore e decisivo passo verso l'unificazione completa scoprendo che le cinque teorie di superstringa sono in realtà aspetti diversi di un'unica teoria fondamentale chiamata teoria M, cioè la madre di tutte le teorie. Una delle sue caratteristiche principali è che essa non prevede solo l'esistenza di stringhe ma anche di oggetti più estesi, cioè membrane e loro generalizzazioni a più dimensioni, dette brane. Possiamo intuire cosa siano queste brane della teoria M pensando alla superficie di gomma di un palloncino gonfiabile come a una membrana immersa nell'ordinario spazio tridimensionale; in modo analogo una brana descrive un'ipersuperficie nello spazio-tempo a dieci dimensioni.

Viviamo su di una membrana?

Dalla teoria M emerge quindi una possibile soluzione all'apparente discrepanza fra l'ordinaria nozione di spazio e l'iperspazio previsto dalla teoria delle superstringhe: infatti per spiegare il nostro mondo tridimensionale è sufficiente pensare che l'universo sia una brana a tre dimensioni immersa in uno spazio più grande e che su di essa siano confinati i fenomeni e le interazioni fondamentali. Tale visione ha chiaramente anche implicazioni di carattere cosmologico, ed infatti ha già permesso di spiegare alcune proprietà dei buchi neri che non era stato possibile giustificare altrimenti.
Questo è l'aspetto più affascinante della teoria M: partendo dallo studio della struttura della materia nell'infinitamente piccolo essa arriva a formulare ipotesi sulla struttura dell'universo nell'infinitamente grande e forse sarà proprio dalle osservazioni astrofisiche e cosmologiche che potrà venire in futuro una conferma sperimentale di questo scenario.

La fisica delle particelle elementari

Particelle e quark

La fisica delle particelle elementari, detta anche fisica subnucleare o fisica delle alte energie, è uno dei settori più avanzati di tutta la ricerca di base. Il suo scopo è quello di indagare la struttura della materia al suo livello più fondamentale. Le molecole e gli atomi, che ci sono familiari come i mattoni con i quali è costruito ogni oggetto materiale, sono in realtà strutture composite, fatte di nuclei ed elettroni.
Proprio dallo studio della struttura del nucleo e delle forze che lo rendono stabile è emersa tutta una varietà di nuovi costituenti, con proprietà inattese e sorprendenti. Oggi sappiamo che, accanto all'elettrone e a un paio di suoi parenti più pesanti, al livello attuale di ingrandimento i costituenti fondamentali sono i neutrini, parenti dell'elettrone, leggeri e privi di carica elettrica, e i quarks, oggetti puntiformi dalle proprietà curiose, come la carica elettrica frazionaria o il perpetuo confinamento all'interno del protone.

Acceleratori, raggi cosmici e Modello Standard

La comprensione e l'inquadramento sistematico delle proprietà della materia e della forza a livello di costituenti elementari, che rappresenta uno dei maggiori trionfi della fisica teorica negli ultimi decenni, si è basata su un'enorme collezione di dati sperimentali, raccolti in diversi decenni.
Le caratteristiche inusuali della materia e delle forze a livello di costituenti, oggi solidamente inquadrate in un nuovo paradigma teorico, quello delle teorie di gauge che stanno alla base del cosiddetto Modello Standard, si manifestano in collisioni violente fra elettroni, protoni e nuclei. Questi urti possono avvenire quando le particelle viaggiano a velocità vicinissime a quella della luce: lo studio sperimentale di queste collisioni richiede perciò enormi macchine acceleratici e giganteschi e sofisticati apparati di rivelazione.
Nel prossimo futuro molto lavoro attende i fisici teorici e sperimentali, sia per completare il quadro interpretativo del Modello Standard sia per esplorare i territori sconosciuti che stanno al di là della teoria attuale; di essi una prima immagine, affascinante ancorchè confusa e incerta, sembra arrivarci da diversi recenti risultati (massa ed energia oscura, oscillazioni dei neutrini) della fisica astroparticellare.
Visita al CERN

Fisica astroparticellare

Stelle e Particelle

Recentemente lo studio dell'infinitamente piccolo (le particelle elementari) e dell'infinitamente grande (il cosmo) hanno sviluppato molti aspetti in comune, tanto che i risultati in un campo influenzano quelli dell'altro. La scoperta dei bosoni W⁺ e Z₀ nel 1983 ha probabilmente segnato un punto d'arrivo nella fisica subnucleare in quanto, per studiare altri fenomeni o processi, sono necessarie energie ben maggiori di quei circa 100 GeV, allora (e ora) disponibili.
Proprio in quegli anni iniziavano a prendere dati esperimenti di fisica cosmica, quindi senza l'uso di acceleratori, adatti anche allo studio delle particelle elementari e dei processi connessi, per esempio gli esperimenti sotterranei per la ricerca del decadimento del protone, dei monopoli magnetici, dei neutrini astrofisici. In questo caso le energie sono fornite da un acceleratore naturale, il cosmo, in grado di fornire gratuitamente particelle con energie oltre i 1000 GeV, ossia energie pari alla massa del monopolo e superiori alle energie di grande unificazione. L'esperimento NuSEx (Nucleon Stability Experiment) del Monte Bianco e pochi altri esperimenti al mondo, hanno costituito il punto di partenza della fisica astroparticellare, ora molto sviluppata in Italia ai laboratori del Gran Sasso. Insieme al tradizionale studio sui raggi cosmici, tra cui le osservazioni di muoni di alta energia da sorgenti binarie quali Cyg X3, si sono ottenuti limiti all'esistenza dei monopoli magnetici e alla vita media del protone, misure sul flusso di neutrini atmosferici e l'evidenza che i neutrini solari oscillano tra un tipo e l'altro, confermando la teoria che Pontecorvo e altri fisici formularono nel 1958.

Raggi cosmici e Big Bang

La fisica astroparticellare è anche strettamente connessa alla cosmologia del Big Bang. Infatti

l'astronomia fornisce la visione dell'universo attuale (la cui età è circa 15 miliardi di anni) con le osservazioni della struttura a grande scala
la fisica atomica permette di interpretare la radiazione di fondo e studiare l'universo quando aveva un'età di circa 100 000 anni
la fisica nucleare è in grado di spiegare l'origine della materia, in particolare la sintesi degli elementi chimici leggeri (tempi dell'ordine dei 100 secondi)
la fisica delle particelle mostra che interazioni elettromagnetiche e deboli erano un tempo unificate e poi si sono separate (tempi dell'ordine del millesimo di miliardesimo di secondo)

Ma per andare a tempi più vicini al Big Bang servono energie che solo la fisica astroparticellare può raggiungere, in particolare con lo studio dei raggi cosmici, in cui sono state osservate particelle di energia oltre 1020 eV, ossia qualche Joule. I grandi esperimenti sotterranei hanno già fornito dati sperimentali di grande interesse all'epoca GUT (t ~ 10-33 s) di grande unificazione. Grandi apparati per lo studio degli EAS (sciami estesi atmosferici) sono stati realizzati, altri sono in costruzione a Terra (Auger) o per osservare (EUSO) grandi aree sulla superficie terrestre dalla Stazione Spaziale.

Lo straordinariamente piccolo

Dove si incontrano Meccanica Quantistica e Teoria della Relatività

La fisica delle alte energie studia la struttura della materia alle distanze più piccole finora esplorate. Con i grandi acceleratori di particelle come quelli costruiti o in costruzione al CERN di Ginevra si vedono i fenomeni del mondo subnucleare a scale di distanza dell'ordine del miliardesimo di miliardesimo di metro. A queste distanze le leggi fisiche appaiono molto diverse da quelle cui siamo abituati nel mondo macroscopico: dominano infatti gli effetti della Meccanica Quantistica e della Teoria della Relatività.
Ad esempio, non ha più senso parlare di traiettoria delle particelle: occorre limitarsi a predire la probabilità dei risultati degli esperimenti. La massa viene continuamente trasformata in energia e viceversa, così che nuove particelle, anche più pesanti di molti nuclei atomici, vengono create dalla radiazione per poi decadere in frazioni infinitesime di secondo. Lo strumento che i fisici teorici impiegano per studiare queste situazioni estreme è una sintesi delle teorie quantistiche e relativistiche: la teoria (quantistica) dei campi.

La teoria quantistica dei campi

Lo strumento che i fisici teorici impiegano per studiare le situazioni estreme che si incontrano nella fisica subatomiche è una sintesi delle teorie quantistiche e relativistiche: la teoria quantistica dei campi. Proprio da questo strumento, tra i più complessi e raffinati mai messi a punto nella storia dai fisici, sono venute le predizioni quantitative più precise di sempre. Per fare un'esempio, esiste una quantità chiamata momento magnetico dell'elettrone, che misura la reazione degli elettroni liberi alla presenza di campi magnetici, che è nota con la precisione di circa una parte su cento miliardi, con un perfetto accordo tra teoria ed esperimento, come se la massa di un transatlantico fosse nota con l'incertezza di un solo grammo.
La teoria dei campi che descrive con grande precisione tutte le particelle note e le loro interazioni viene chiamata Modello Standard.

Il Modello Standard delle particelle elementari

Le interazioni fondamentali

La teoria dei campi che descrive con grande precisione tutte le particelle note e le loro interazioni, ad eccezione della gravità, viene chiamata Modello Standard. Essa fornisce una rappresentazione unificata e coerente delle interazioni elettromagnetiche, deboli e forti.
Le interazioni elettromagnetiche sono familiari anche nel mondo macroscopico, e sono responsabili dell'attrazione e della repulsione tra cariche elettriche, e del loro comportamento in presenza di campi magnetici.
Le interazioni deboli sono direttamente percepibili solo su distanze dell'ordine dei nuclei atomici, ma sono molto importanti, dato che sono responsabili dei decadimenti radioattivi e giocano un ruolo chiave nelle reazioni nucleari che permettono alle stelle di bruciare.
Le interazioni forti sono quelle che mantegono uniti i nuclei atomici, e sono responsabili, a un livello più fondamentale, della massa e della struttura interna dei protoni e dei neutroni che costituiscono i nuclei.
Tutte le particelle considerate a tutt'oggi elementari sono classificate attraverso il loro comportamento sotto l'azione delle diverse interazioni.

La classificazione delle particelle

Tutte le particelle considerate a tutt'oggi elementari sono classificate attraverso il loro comportamento sotto l'azione delle diverse interazioni.
I leptoni hanno solo interazione debole, e in alcuni casi elettromagnetica: il più noto è l'elettrone, ma ne esistono due copie più pesanti, dalla vita brevissima, il muone e il leptone tau. Questi tre leptoni sono elettricamente carichi, ma ad essi sono associati tre compagni evanescenti, di massa piccolissima e soggetti alle sole interazioni deboli: i neutrini.
Gli adroni, tra cui il protone e il neutrone, hanno anche interazioni forti, e sono costituiti da quark, forse le più sorprendenti tra le particelle elementari note, dato che non possono esistere isolati, ma devono sempre essere confinati all'interno degli adroni.
I quark, come i leptoni, sono sei, raggruppati in tre coppie. Di queste, solo la prima, costituita dai quark up e down, e presente nella materia ordinaria. Gli altri quattro quark (charm, strange, bottom e top) hanno vita brevissima e masse molto grandi: in particolare il quark top, l'ultima e la più pesante delle particelle elementari scoperte, pesa da solo quasi come un'intero atomo di piombo.
Anche alle interazioni sono associate particelle che le trasportano, secondo le regole del mondo quantistico. Il veicolo delle interazioni elettromagnetiche è il fotone, privo di massa; le interazioni deboli sono trasportate da tre bosoni massivi chiamati W⁺, W^- e Z^₀, con un indice che denota la loro carica elettrica; le interazioni forti sono trasportate da otto gluoni, anch'essi, come i quark, eternamente confinati all'interno degli adroni.
Per una verifica sperimentale completa del Modello Standard, manca all'appello una sola particella, che però è molto importante perché le sue interazioni determinano il valore della massa di tutte le altre: si chiama bosone di Higgs e i fisici sperano di scoprirlo e studiarne le proprietà con il prossimo grande acceleratore attualmente in costruzione al CERN, il Large Hadron Collider (LHC).
L'altro ingrediente mancante è invece assai più elusivo, e richiederà grandi progressi di natura teorica: si tratta della costruzione di una teoria quantistica completa della gravità, e della sua unificazione con le altre interazioni fondamentali. Questo è l'obiettivo che si prefiggono i fisici teorici che studiano la teoria delle stringhe.

La fisica del nucleo

Il nucleo

Il nucleo è la parte centrale e pesante dell'atomo. Ha dimensioni di circa 10^-15m (un milionesimo di miliardesimo di metro) e racchiude particelle aventi una massa di circa 10^-27Kg (un miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di Kg) chiamate nucleoni.
Un nucleo ha A nucleoni, di cui Z protoni e N neutroni. In generale Z = N per A minore 30. Poi il numero di neutroni cresce per compensare la repulsione colombiana tra protoni, carichi positivamente.
I nuclei stabili hanno un ben definito rapporto tra Z ed N e si trovano, in un sistema di assi N e Z, in una valle detta di stabilità: un nucleo che si sia formato al di fuori di questa valle non è stabile e decade in tempi più o meno lunghi emettendo particelle α, β , γ (fenomeno della radioattività).

Come si studiano i nuclei?

Nelle ricerche sperimentali in Fisica Nucleare si studiano le interazioni tra particelle e nuclei e tra nuclei e nuclei: per far avvenire le interazioni si accelerano le particelle e si manda il fascio di particelle prodotto dall'acceleratore contro un bersaglio.
Le misure hanno portato alla formulazione di modelli nucleari che spiegano proprietà dei nuclei come sistemi di nucleoni. Questi modelli sono ora sottoposti a test stringenti grazie a tecniche sperimentali che consentono lo studio di nuclei in condizioni estreme. La descrizione del nucleo in termini di nucleoni è però solo una prima approssimazione poiché si sa che questi non sono particelle elementari, ma sono composti di quark e gluoni. È quindi indispensabile una conoscenza dettagliata delle proprietà dei nucleoni liberi ed all'interno del nucleo.

Alcuni dei principali argomenti di ricerca

Per investigare le proprietà dei nucleoni si usano reazioni nucleari a più alta energia e con la produzione di nuclei in cui si trovano particelle più pesanti dei nucleoni (ipernuclei). Portando poi la materia nucleare a condizioni estreme di pressione e volume attraverso l'interazione di ioni pesanti ad altissima energia si può raggiungere uno stato in cui i quark non sono più confinati all'interno dei nucleoni, il plasma di quark e gluoni (QGP).
Vi sono importanti connessioni tra la moderna fisica nucleare e l'astrofisica. Il QGP infatti è la fase in cui la materia si è venuta a trovare qualche μs dopo il big bang e la conoscenza di reazioni nucleari è indispensabile per studiare il processo di produzione di energia e materia nelle stelle. Infine va notato che le tecniche sviluppate in Fisica Nucleare hanno inoltre molte applicazioni: in medicina, nello studio dei beni culturali ed ambientali, nella produzione di energia.

Il plasma di quark e gluoni

Oggi l'universo è costituito da atomi, che contengono nuclei fatti di protoni e neutroni, circondati da una nuvola di elettroni. Ciascuno di questi protoni e neutroni è costituito principalmente da 3 particelle elementari chiamati quark, che sono legati tra loro da altre particelle chiamate gluoni. Il legame è così forte che i quark non possono essere separati. Se si prova a estrarre un quark da una di queste particelle, si ottiene come unico effetto la produzione di nuove particelle composte da quark e tenute assieme dai gluoni.
La moderna teoria dei quark e dei gluoni, chiamata cromodinamica quantistica (QCD), ci dice che ad altissime densità di energia protoni e neutroni potrebbero perdere la loro identità. Questo può accadere ad altissime temperature, 100.000 volte maggiori di quella al centro del Sole, oppure a densità estreme di materia, come quelle al centro delle stelle di neutroni, oggetti aventi dimensioni di qualche chilometro e peso comparabile a quello del Sole. A queste altissime densità di energia i quark e i gluoni non sarebbero più confinati all'interno di particelle ma sarebbero liberi di muoversi in volumi estesi di materia deconfinata, un plasma di quark e gluoni.
Questo processo di deconfinamento è simile ad altre transizioni tra diversi stati della materia che si osservano comunemente. Ad esempio l'acqua esiste in natura in tre diverse fasi (solida, liquida, gassosa) e il passaggio da una all'altra (ghiaccio -> acqua -> vapore) si ottiene con il riscaldamento. Sappiamo che ogni cambiamento di stato, chiamato transizione di fase, avviene ad una temperatura ben definita, chiamata temperatura critica.

Il QGP in laboratorio

In modo simile i fisici oggi studiano le transizioni tra le diverse fasi attraversate dalla materia del nostro universo durante la sua evoluzione. Quando l'universo era molto caldo e denso, circa 10 miglionesimi di secondo dopo il Big Bang, la materia era un plasma di quark e gluoni. Solo quando l’universo si è raffreddato al di sotto di una temperatura critica, i quark e i gluoni hanno dato origine per la prima volta a particelle composte come protoni, neutroni e nuclei atomici, entro cui rimangono confinati ancora oggi. Gli esperimenti al CERN mirano a ricreare il QGP come una minuscola e densa palla di fuoco (fireball) formatasi nella collisione tra nuclei pesanti (little bang).
Il rivelatore ALICE registrerà gli eventi prodotti da ciascun little bang mentre le fireball si raffreddano ed espandono, osservando come avviene la transizione di fase da QGP a materia ordinaria.
Negli ultimi 20 anni gli esperimenti effettuati al CERN con l'acceleratore SPS (Super Proton Synchrotron) hanno evidenziato per la prima volta che il QGP può essere creato in collisioni nucleari per brevissimi istanti, prima che si raffreddi nuovamente e formi la materia ordinaria.
Oggi, l'acceleratore RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) a Brookhaven negli Stati Uniti continua a studiare il QGP in collisioni di energia 12 volte maggiore di quella disponibile all'SPS. Ad LHC le collisioni avranno un'energia 330 volte maggiore di quella dell'SPS, e quindi la fireball creata durante il little bang sarà molto più calda, più grande e durerà più a lungo. Questo permetterà ai fisici di studiare più a fondo il QGP e aprirà alla ricerca un nuovo territorio, che sarà esplorato dall'esperimento ALICE.

La fisica Ipernucleare

La Fisica Ipernucleare ha come oggetto lo studio di un classe particolare di Nuclei, gli Ipernuclei, che sono dei sistemi formati da protoni, neutroni e, a differenza dei nuclei normali, anche da un terzo tipo di costituenti, gli Iperoni, presenti in ragione di una o, al più, due unità per Ipernucleo.
La presenza di questo terzo tipo di costituenti conferisce agli Ipernuclei delle proprietà differenti da quelle dei nuclei normali: infatti, l'Iperone si comporta come una sonda privilegiata che permette di indagare in maniera approfondita le caratteristiche della materia nucleare. Lo studio sistematico della struttura degli Ipernuclei consente di ottenere informazioni anche sulle proprietà dei nuclei ordinari e di verificare direttamente ipotesi e teorie elaborate per cercare di interpretare il loro comportamento.
Gli Ipernuclei, inoltre, sono dei sistemi instabili e, come succede per i Nuclei radioattivi, sussistono come sistemi legati per un certo intervallo di tempo (molto corto, dell'ordine di un decimo di miliardesimo di secondo!), detto "vita media", per poi decadere scindendosi in più parti. La durata della vita media e il modo secondo cui avviene il loro decadimento sono altri due campi di interesse della Fisica Ipernucleare; lo studio di tali grandezze permette, infatti, di ottenere informazioni non solo sugli Ipernuclei stessi ma anche sulle modalità di interazione tra l'Iperone e i costituenti normali dei nuclei, neutroni e protoni.
L'Esperimento FINUDA, che opera presso i Laboratori Nazionali di Frascati dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, si propone come programma scientifico uno studio completo sia della struttura che del decadimento di sistemi Ipernucleari.

La fisica della materia

Una breve introduzione

La fisica della materia si occupa delle proprietà fisiche ( elettriche, ottiche, magnetiche ) dei materiali nei loro vari stati ( gas, liquido, solido e plasma ) studiandole sia dal punto di vista fondamentale che applicativo.
I laser, i plasmi confinati negli anelli dei tokamak, i microprocessori e le memorie dei computers, i nostri cellulari, i materiali per le comunicazioni in fibra ottica, i superconduttori, le telecamere che vedono al buio, i materiali compositi, gli acciai, i polimeri, gli schermi ultrapiatti a cristalli liquidi, tutti i materiali coivolti nelle moderne nanotecnologie, non sono che alcuni aspetti della fisica della materia senza la quale gran parte del moderno mondo tecnologico non potrebbe esistere.
La fisica della materia, però, non si occupa solo di materiali, ma approfondisce le loro proprietà e ne scopre di nuove : l'effetto Hall quantistico, le proprietà nanoscopiche dei fullereni, le strutture quantistiche tramite le quali si sono riscoperti molti aspetti della meccanica quantistica possono essere citati come gli esempi più recenti.
La fisica della materia, da un punto di vista modellistico-teorico, ha dato origine alla moderna " ingegneria dei materiali ", mediante la quale è possibile progettare a computer un materiale o un dispositivo dalle proprietà fisiche o dalle applicazioni prefissate.

Ottica Quantistica

Intendiamo per Ottica Quantistica (OQ) - teoria elaborata in seguito ai lavori di Planck, Einstein, Compton e Dirac - l'insieme dei fenomeni per il cui studio è necessario adoperare la nozione di campo elettromagnetico quantizzato, cioè descritto in termini di creazione e annichilazione di fotoni . Nell'OQ la luce è descritta secondo il modello corpuscolare.
Esiste ( e in certi problemi di ottica può essere applicato utilmente) il modello semiclassico dell'interazione luce-materia in cui il campo elettromagnetico è descritto classicamente: la luce in questo modello è descritta in termini di propagazione di onde elettromagnetiche(modello ondulatorio della luce). La materia è sempre descritta tramite la meccanica quantistica sia in OQ che nel modello semiclassico.
Tra i successi dell'OQ: o la spiegazione dell'instabilità degli stati eccitati dell'atomo, problema insolubile con il modello semiclassico e in cui l'OQ permette in linea di principio di calcolare la vita media di tali stati: l'accordo con l'esperimento è ottimo. o Anche in Spettroscopia l'OQ ha dato contributi importanti; per es. nella teoria dello spostamento delle righe dell'atomo d'idrogeno (spostamento di Lamb), un effetto quantitativamente molto piccolo, la cui teoria è quantitativamente in eccellente accordo con l'esperimento di Lamb-Retherford.

Ottica Non-lineare

Con il termine di ottica nonlineare (ONL) si intende l'insieme dei fenomeni ottici in cui l'interazione del sistema ottico con il campo elettromagnetico produce una risposta che dipende dall'intensità della luce incidente; tipicamente la risposta è rappresentata dall'indice di rifrazione del mezzo.
Lo studio di questi processi è stato reso possibile dall'invenzione del laser (1960), che fornisce una sorgente di luce molto intensa, coerente, altamente direzionale; è proprio l'elevata intensità e la coerenza dei fasci laser che sono all'origine dei fenomeni nonlineari nella materia.
Come esempi di non-linearità nell'ottica si possono ricordare: o l'auto-focalizzazione di un fascio laser che si propaga in un mezzo; o la generazione della seconda armonica in un fascio laser che si propaga in un mezzo ; o la trasmissione delle informazioni contenute in una immagine, trasmesse senza attenuazione e a grandi distanze (nelle fibre ottiche si sta studiando la possibilità di trasmissione con solitoni); o la ricostruzione di un'immagine fedele a quella iniziale eliminando la distorsione prodotta dagli inevitabili fenomeni di turbolenza ottica : il metodo adoperato in questo tipo di problema si chiama ottica adattativa.

La fisica dei fenomeni alla scala 'umana'

Introduzione

La Fisica non si occupa solo di fenomeni e leggi riguardanti oggetti molto piccoli (molecole, elettroni, nuclei, particelle...) o molto grandi (pianeti, stelle, l'universo...).
È dallo studio di fenomeni comunemente osservabili che è potuta nascere la Fisica, in particolare la Meccanica classica (piani inclinati, pendoli,...) ma anche lo studio delle onde (ottica ed acustica) l'elettromagnetismo, la termodinamica e così via.
Anche la ricerca attuale continua ad occuparsi di fenomeni tipici delle scale di grandezza dell'esperienza quotidiana. La ricerca in Fisica ha molto da dire sull'uomo e sul suo ambiente.

Meccanica Statistica: come descrivere sistemi di tantissimi elementi

La Meccanica Statistica si occupa dello studio di sistemi complessi, formati da un grandissimo numero di costituenti elementari, mediante metodi statistici e gli strumenti tipici della teoria della probabilità. Questa disciplina nasce alla fine dell'800 grazie al lavoro di Boltzmann ed ha avuto uno sviluppo costante (e negli ultimi anni impetuoso) durante tutto il '900.
I suoi ambiti di applicazione sono i più vari. A seconda della natura dei costituenti elementari ci si può occupare dello studio dei sistemi gassosi (i costituenti saranno in questo caso le molecole del gas), dei ferromagneti, i costituenti saranno gli spin degli atomi del magnete, dei sistemi economici, in cui i costituenti elementari sono gli operatori nel mercato borsisitico (la cosiddetta econophysics) e di moltissimi altri argomenti.

La fisica biomedica

La fisica e il sistema "uomo"

I cammini di fisica, biologia e medicina si sono spesso incrociati, nella storia dell'umanità. o A volte, alcune ricerche in fisica sono state ispirate da studi sul corpo umano: le equazioni del moto di fluidi viscosi furono sviluppate nel tentativo di comprendere la circolazione del sangue nel circuito cardiovascolare.
Più spesso, ricerche fondamentali in altre branche della fisica trovano un'applicazione naturale in studi in campo biologico e medico. I risvolti di questi studi coinvolgono la sviluppo e la realizzazione di tecniche diagnostiche e terapeutiche sempre più rapide, precise e meno invasive.
I metodi di indagine della fisica, basati su una continua relazione tra rigorose modellizzazioni e precise misure sperimentali, sono tradizionalmente stati applicati allo studio dei processi biologici e del metabolismo umano.

La biofisica

La biofisica si occupa dello studio dei sistemi biologici sia a livello cellulare che integrato, con l'obiettivo di descriverli partendo dalle leggi della fisica classica. È possibile trattare quantitativamente gli scambi di materia ed energia fra la cellula e l'ambiente esterno, o la generazione di eventi elettrici ai capi delle mebrane cellulari. Modellizzando un sistema biologico come un insieme di soluzioni elettrolitiche separate da membrane, è possibile ad esempio descrivere l'attività elettrica delle cellule nervose, o comprendere le variazioni di differenza di potenziale legate alla propagazione dei potenziali elettrici nelle fibre muscolari del cuore.
Le applicazioni si riscontrano nell'interpretazione diagnostica dei segnali elettroencefalografici o elettrocardiografici. Più recentemente, il campo di indagine si è esteso allo studio della struttura e del rapporto struttura/funzione di componenti cellulari e di singole molecole proteiche, utilizzando tecniche come la diffrattografia a raggi x e l'NMR.

Le onde e il corpo umano

La fisica medica cerca di sviluppare modelli e simulazioni della funzionalità di parti del corpo umano, di comprendere la risposta a perturbazioni esterne di natura acustica, elettromagnetica o particellare, e di sviluppare tecniche di indagine diagnostica e di cura basate su questi modelli. * La conoscenza delle proprietà di propagazione delle onde elastiche permette ad esempio di ottenere in modo non invasivo informazioni tridimensionali sulla struttura di organi all'interno del corpo umano o di usare onde d'urto acustiche per la distruzione di calcoli. * L'interazioni delle onde elettromagnetiche con i sistemi biologici è, attraverso un complesso sistema di scambi termici e di sintesi molecolari, fondamentale per l'esistenza della vita. Ma al giorno d'oggi, la presenza di sorgenti artificiali di microonde o di radiazioni ionizzanti, impone di studiare accuratamente gli effetti sui tessuti biologici di radiazioni elettromagnetiche di alta energia, al fine di stabilire limiti di sicurezza per l'uomo e l'ambiente.

Fisica, terapia e diagnostica

Radiazioni elettromagnetiche di alta energia e radiazioni corpuscolari sono utilizzate per scopi diagnostici o di cura come avviene nella radiologia, radioterapia e nella medicina nucleare.
Un enorme progresso nella diagnostica per immagini si è verificato con la tecnica della tomografia assiale computerizzata (TAC) che permette la ricostruzione tridimensionale dei dettagli anatomici.
Un'applicazione di tecniche sviluppate in fisica nucleare è la Risonanza Magnetica Nucleare (NMR), spesso complementare alla TAC, che viene utilizzata per la ricostruzione non invasiva di organi e strutture interne.
Acceleratori di particelle, sviluppati per studi fondamentali di fisica nucleare e subnucleare, sono impiegati anche per produrre fasci di elettroni e fotoni che vengono impiegati nella radioterapia convenzionale. Più recentemente si è arrivati all'uso di protoni o ioni per la cura di alcuni tipi di tumori difficilmente trattabili con altre tecniche.
Questi sono solo alcuni esempi delle tecniche sviluppate in campo biofisico e biomedico. Lo spettro di applicazioni dei principi di fisica in biologia e medicina è molto vasto, e vive oggi un momento di fermento e di sviluppo senza precedenti, grazie soprattutto ai mezzi di calcolo sempre più potenti e ai progressi nella microelettronica.

Fisica e diagnostica

Una delle principali linee di ricerca tecnologica nel settore biomedico è oggi costituito dallo studio e ricostruzione di immagini. Questi studi coinvolgono la ricostruzione di immagini dai segnali di strumenti diagnostici (ecografia, TAC, RMN, ecc. ), e lo sviluppo di tecniche per il riconoscimento automatico di forme (pattern recognition); queste tecniche possono essere applicate al riconoscimento automatico di formazioni patologiche a partire da immagini diagnostiche.
Un altro problema di gran fascino coinvolge lo studio dei processi di elaborazione neurologica; per questi studi sono fondamentali sia l'uso intenso di simulazioni numeriche, che l'uso di nuove tecniche di misurazione, basate su traccianti radioattivi (Tomografia ad Emissione di Positroni, PET) che su sonde estremamente sensibili per la rivelazione di campi magnetici (SQUID).
L'uso dei calcolatori permette inoltre di realizzare in tempi brevi simulazioni molto precise. Ad esempio, modellizzazioni sempre più avanzate sul flusso del sangue potrebbero permettere di comprendere meglio i meccanismi che portano a malattie cardiache ed eventualmente a sviluppare tecniche di diagnosi precoce.

Fisica e Genoma

La Meccanica Statistica e la Biologia Computazionale

Uno degli sviluppi più recenti e più affascinanti è l'applicazione dei metodi della Meccanica Statistica ai risultati del progetto Genoma, vale a dire allo studio della sequenza di 3 10^9 basi che formano il corredo genetico dell'uomo.
Questo filone di ricerca è noto col nome di Biologia Computazionale e sta catalizzando in questi ultimi anni moltissime energie sia in Italia che nel resto del mondo. Proprio su questi argomenti è nato a Fisica un gruppo di lavoro ed un Dottorato di Ricerca in ....
Il motivo di interesse è che solo una piccolissima porzione del genoma umano (circa l'1%) è realmente compreso. solo per questa parte si dispone di quello che è noto come "codice genetico" e che permette di ``leggere'' l'informazione contenuta nella sequenza del DNA e tradurla in proteine, che possiamo pensare come i mattoni fondamentali di cui sono composti gli organismi viventi. Il restante 99% è al momento ancora avvolto nel mistero. Si sa che in questa parte del DNA sono nascoste le informazioni necessarie a mettere assieme i mattoni di cui parlavamo prima: le "istruzioni della scatola di montaggio".
L'obiettivo della Biologia Computazionale è usare metodi statistici per estrarre questa informazione e cercare di ricostruire, pezzo per pezzo, il libretto di istruzioni che per ora non abbiamo.

La Fisica terrestre

La fisica del sistema terra

Lo studio del sistema Terra può essere affrontato da molti punti di vista (fisico, chimico, geologico...), che spesso si intrecciano. I fisici che studiano il nostro pianeta sono in genere detti fisici terrestri o geofisici. All'interno della fisica terrestre si possono fare due grandi suddivisioni : lo studio della Terra solida (geomagnetismo, sismologia ....) e quello della Terra fluida (meteorologia, oceanografia...). La fisica dell'atmosfera e l'oceanografia sono accomunate dal fatto che le leggi che regolano il comportamento dinamico dell'aria e dell'acqua sono le stesse (le equazioni di Navier-Stokes). Anche i metodi di indagine sono simili, tanto che in laboratorio i moti atmosferici possono essere studiati, oltre che nelle gallerie del vento, anche su modelli immersi in canali idraulici.
L'attività sperimentale del geofisico si svolge tuttavia essenzialmente all'aperto, poiché la Terra stessa a costituire il 'laboratorio'. Questo comporta alcune differenze di metodo rispetto agli altri campi della fisica, dove l'esperimento è ripetibile e si svolge in condizioni controllate.
Anche i metodi di analisi dei dati ne sono influenzati : mentre il fisico nucleare usa metodi statistici per rivelare pochi 'eventi significativi' in mezzo a miliardi di altri, il fisico terrestre analizza dei fenomeni di cui ha relativamente poche realizzazioni (ad es. : un ciclone tropicale) in cui l'evoluzione temporale è essenziale. Il fisico nucleare analizza perciò spesso degli istogrammi, mentre il geofisico tratta spesso delle serie temporali.
Per quanto riguarda l'attivià teorica il fisico terrestre in genere simula il comportamento del sistema di cui si occupa (atmosfera, oceano o sempre più spesso entrambi, vista l'importanza del loro accoppiamento) per mezzo di complessi modelli matematici che richiedono molta potenza di calcolo (si pensi ad esempio alla previsione del tempo).

L'astrofisica

Perché studiare le stelle ?

Lo studio scientifico dei fenomeni celesti, delle stelle in particolare, e` una disciplina relativamente recente: si tratta di osservazioni basate su leggi della fisica e non sulla semplice contemplazione dei fenomeni come avveniva spesso nel passato. * L'astronomia invece, da cui si e` sviluppata l'astrofisica, e` una delle discipline piu` antiche nella storia dell'umanita` in quanto e` alla base della curiosita` che caratterizza il genere umano: dare una risposta alle domande sulla nostra origine e sul nostro futuro.

L'astronomia nell'antichità

Le civiltà dell'antichità pur avendo sviluppato molte conoscenze (i sumeri avevano calcolato il ciclo delle eclissi, i fenici sapevano navigare nel mediterraneo orientandosi solo con le stelle) avevano una visione antropocentrica dei fenomeni celesti spesso unita a interpretazioni mistiche. Furono i primi filosofi greci della scuola di Mileto a formulare una visione razionale dei fenomeni celesti, a darne un'interpretazione basata su un metodo "scientifico", anche se non nel senso moderno, e a attribuire all'astronomia il nome di una delle muse (Urania).
Con Galileo, che uso` per la prima volta il cannocchiale astronomico, vennero scoperte cose invisibili a occhio nudo (per es. le macchie solari e i satelliti di Giove) ma e` solo nel XX secolo (ossia poco meno di 100 anni fa) che in astronomia furono introdotti i metodi della fisica, facendo cosi` nascere l'astrofisica. Come nel '600 avvenne la rivoluzione scientifica, cosi` nel '900 la nuova fisica porto` alla nascita della scienza moderna.

Le stelle nella scienza moderna

La fisica atomica fu in grado di spiegare come le stelle brillassero; la fisica nucleare fu in grado di spiegare come le stelle possano vivere cosi` a lungo (per il Sole almeno quanto la Terra, ossia almeno 4,5 miliardi di anni) senza modificare in modo apprezzabile la loro struttura. Sappiamo ora che le stelle sono sistemi in equilibrio gravitazionale, con temperatura al centro di decine o centinaia di milioni di gradi, e che emettono luce e calore grazie alla "combustione" nucleare degli elementi chimici che ne costituiscono le parti centrali.
Tutti gli elementi chimici dell'universo, a parte idrogeno e elio, sono stati sintetizzati nell'interno delle stelle attraverso questi meccanismi, e vi resterebbero confinati se le stelle di grande massa non esplodessero come supernovae disperdendo nello spazio gli elementi chimici pesanti, formati per fusione di elementi piu` leggeri. La stessa nostra vita, basata sul carbonio, non esisterebbe se il carbonio non fosse stato sintetizzato nell'interno delle stelle.
La visione di un cielo immutabile e sereno che avevano gli antichi e` stata completamente stravolta dall'astrofisica moderna: nelle stelle avvengono in continuazione processi ad alta energia, quali la fusione nucleare che si cerca invano di riprodurre sulla Terra per risolvere i problemi energetici. Le esplosioni stellari, anche se rare, sono uno dei fenomeni naturali piu` violenti di liberazione di energia: in un tempo di pochi secondi le stelle di grande massa liberano l'energia gravitazionale che avevano accumulato durante i molti milioni di anni della loro esistenza.

Fisica Solare

Perché studiare il Sole?

L'oggetto di studio della fisica solare è ovviamente la stella Sole, la cui importanza per la vita sulla Terra e la relativa vicinanza (solo 150 milioni di Km) hanno stimolato la naturale curiosità dell'uomo ed in particolare degli scienziati spingendoli a realizzare osservazioni con metodi sempre più sofisticati al fine di comprenderne la struttura l'evoluzione ed i suoi effetti sul nostro pianeta.
Grazie alla quantità e al dettaglio crescente dei dati disponibili, dovuti negli ultimi anni soprattutto al successo di missioni spaziali dedicate allo studio del Sole, la nostra stella continua a rivelarsi estremamente interessante per i nuovi e vecchi problemi irrisolti relativi al suo comportamento.
In molti casi il Sole fornisce anche una possibilità unica per la verifica delle teorie e dei modelli relativi alle altre stelle, molto più lontane e quindi più difficilmente osservabili. Inoltre costituisce un vero e proprio lavoratorio in cui si può studiare la materia in condizioni difficilmente realizzabili a Terra.

Quali aspetti si studiano?

La ricerca relativa alla fisica del Sole si può focalizzare su scale spazio-temporali molto ampie, ovvero ci si muove dallo studio della struttura generale e dei meccanismi di produzione e propagazione dell'energia all'interno del Sole a quello del comportamento di singole strutture magnetiche che emergono sulla "superficie visibile".
Le scale di tempo considerate possono essere molto brevi: nel caso dello studio di fenomeni cosiddetti transienti spesso legati al rilascio di enormi quantità di energia da parte dell'atmosfera solare nello spazio interplanetario.
Vi sono però ricerche che richiedono osservazioni su periodi di molti anni: ad esempio per lo studio del ciclo di attività solare che ha un periodo di 11 anni durante i quali il Sole cambia drasticamente il suo comportamento ed anche l'intensità dell'emissione, in particolare nelle regioni elettromagnetiche dell'ultravioletto e dei raggi X.
Una notevole importanza sta rivestendo recentemente lo studio degli effetti della attività solare sull'ambiente circostante, con particolare attenzione alle improvvise e violente emissioni di particelle cariche da parte dell'atmosfera solare che si propagano in direzione della Terra provocando le cosiddette tempeste magnetiche. Questi fenomeni possono, oltre che generare le aurore, influire sulle prestazioni e l'affidabilità di sistemi tecnologici spaziali e terrestri, innazitutto sui sistemi di telecomunicazione e navigazione ed avere effetti sulla vita e la salute dell'uomo.
La comprensione della variazione dell'attività del Sole durante il ciclo di 11 anni e su tempi più lunghi darà inoltre un contributo importante per lo studio delle variazioni climatiche che si stanno verificando su nostro pianeta. Lo studio del Sole quindi non si rivolge solo alla sfera di gas di cui è costituito ma anche le sue parti piú esterne, di particolare interesse sono la corona solare ed il vento solare.

La corona solare

La corona è la parte piú esterna dell'atmosfera solare, è molto rarefatta e da Terra è osservabile solo in occasione delle eclissi totali o con particolari strumentazioni che mascherano la luce proveniente dal disco solare. Mentre la temperatura della "superficie visibile" del Sole, fotosfera, è di circa 5000o C, in corona raggiunge i 2 milioni di gradi. La causa del rapido aumento di temperatura dalla fotosfera alla corona è ancora oggi uno dei grandi misteri della Fisica Solare. La materia a queste temperature è nello stato di "plasma" ed emette principalmente raggi X ed Ultravioletti (UV), non osservabili da Terra ma solo da strumenti posti al di sopra degli strati piú densi dell'atmosfera responsabili dell'assorbimento di questa radiazione.
La corona solare osservata nelle regioni X e UV si presenta con una topologia molto diversa da quella in luce visibile e con emissione molto disomogenea: sono presenti zone brillanti molto luminose, regioni attive, e zone scure, buchi coronali. Queste strutture osservate nella parte bassa della corona influenzano direttamente la regione più esterna. Ogni singola regione attiva è soggetta a fenomeni molto dinamici ed energetici, in particolare vi sono veri e propri fenomeni esplosivi della durata di qualche decina di minuti detti brillamenti: una parte di una regione attiva diventa improvvisamente molto brillante nei raggi X, la temperatura e la densità aumentano per poi gradualmente ritornare allo stato più quieto delle zone circostanti. Inoltre, l'intera configurazione della corona cambia col tempo seguendo l'andamento del ciclo di attività solare di 11 anni.

Il vento solare

Il vento solare è un flusso costante di particelle che si origina dalla corona solare dove la temperatura è così alta che la gravità del Sole non resce a trattenere il plasma coronale che quindi fluisce verso l'esterno. Questo vento ha una velocità di circa 450 km/s nelle regioni equatoriali, mentre nelle regioni sovrastanti i poli del Sole raggiunge velocità di circa 800 km/s. I meccanismi fisici che accelerano il vento solare a queste alte velocità non sono al momento stati identificati con certezza. Il vento solare esercita una pressione sulla magnetosfera della Terra e ne determina così la forma, si estende poi fino oltre l’orbita di Plutone (circa 5900 milioni di chilometri) dove viene fermato dalla pressione del gas interstellare.

L'universo e le galassie

L'evoluzione dell'universo

La figura sottostante, tratta dal sito del Fermilab, rappresenta i vari stadi dell'evoluzione dell'Universo, dal Big Bang ai giorni nostri.

Cosa sono le galassie attive?

Con il termine "galassia attiva" si intende una galassia che mostra i segni di un'intensa attività energetica al suo interno, di solito nella regione nucleare. Per questo motivo si parla spesso anche di "nuclei galattici attivi". Questa attività si manifesta in vari modi, ma produce sempre una grande luminosità; a seconda del loro aspetto, dell'energia emessa e del loro spettro, le galassie attive vengono suddivise in diverse classi. Le più importanti sono le galassie di Seyfert, i quasar e le radiogalassie.
Le galassie attive emettono una luminosità enorme, cento o mille volte maggiore di una galassia normale, cosa che non si può spiegare con la sola energia emessa dalle stelle che le compongono. Inoltre, il loro spettro è diverso da quello delle galassie normali, sia per quanto riguarda l'intensità della luce emessa nelle diverse bande spettrali che per la presenza o assenza di righe. Le galassie attive sono spesso sorgenti molto intense proprio nelle bande spettrali più "insolite" per una galassia, cioè la banda radio e la banda X. Infine la luminosità di molte di queste galassie, almeno in certe bande spettrali, varia con periodi molto brevi, di pochi giorni o anche di ore; questo fatto sarebbe inspiegabile se la sorgente di luce predominante fossero le semplici stelle.
Tutto questo fa pensare che la sorgente di tale luminosità non sia soltanto stellare, ma si tratti di un meccanismo violento, di natura ancora incerta, che agisce in una regione molto piccola della galassia rispetto alle sue dimensioni complessive. La maggior parte dell'energia emessa dai nuclei galattici attivi proviene infatti da regioni centrali delle dimensioni di di poche ore-luce o giorni-luce (un'ora luce è la distanza percorsa dalla luce un un'ora). Per avere un'idea di quanto piccolo è il nucleo emittente rispetto alle dimensioni dell'intera galassia, si pensi che la distanza tra il Sole e Plutone è di 5.2 ore-luce, mentre il diametro di una tipica galassia è di 100.000 anni luce o più! Questo significa che la regione emittente di un nucleo attivo può avere le dimensioni di un sistema solare.

Un esempio di galassia attiva

La galassia M87, un'ellitica di tipo E1, nella costellazione della Vergine. È una delle galassie più ricche di ammassi globulari (ne possiede diverse migliaia) ed è molto luminosa. È stata identificata con la forte sorgente radio Virgo A, inoltre emette intensamente nella banda X. Si tratta di una galassia attiva, probabilmente con un buco nero al centro. Il disco di gas caldo nel centro della galassia attiva M87.
Il disco, che ha la forma di una spirale, ruota così rapidamente da far pensare alla presenza di un buco nero molto massiccio nel nucleo della galassia (la sua massa è stata stimata intorno a 3 miliardi di volte quella del Sole). Infatti le stelle che la galassia contiene non sono sufficienti a creare il campo gravitazionale necessario a far ruotare il gas così rapidamente. M87 è una galassia ellittica gigante visibile nella costellazione della Vergine.
Ma come si origina tutta questa energia? Strumenti di osservazione sempre più potenti, come i radiointerferometri, hanno permesso in questi anni di studiare sempre più in dettaglio i nuclei galattici attivi, ma ancora non si hanno certezze sulla loro natura fisica. Nel corso degli anni sono state proposte diverse teorie (una forte emissione stellare, l'esplosione di un gran numero di supernovae, eccetera...) per spiegarne l'emissione, ma esse sono state via via scartate sulla base di evidenze osservative.

Un buco nero?

L'ipotesi che si sta affermando con maggiore forza è che il motore centrale dei nuclei attivi sia un buco nero estremamente massiccio, con una massa da 10 milioni a 1 miliardo di volte quella del nostro Sole, concentrata in uno spazio molto piccolo (il raggio di un buco nero è pari a circa 3 Km per ogni massa solare). Secondo questo modello, la materia circostante (stelle, gas, polvere) presente nel nucleo della galassia forma intorno al buco nero uno spesso disco, a forma di ciambella; essa alimenta il buco nero cadendovi sopra ed emettendo intensamente radiazione. Essa viene quindi inghiottita dal "mostro" centrale, un fenomeno che prende il nome di accrescimento, e convertita in energia elettromagnetica con un'efficienza molto alta.
L'accrescimento di materia pari ad una massa del Sole all'anno basterebbe a spiegare l'energia emessa da una di queste galassie. Se il buco nero ruota intorno al proprio asse, questo motore centrale è in grado di accelerare il gas circostante e di espellerlo dal nucleo sotto forma di getti, collimati con l'asse di rotazione del buco nero. Si spiegherebbero così, per esempio, i radiolobi delle radiogalassie. I getti sono un fenomeno molto comune nei nuclei galattici attivi. Le galassie attive sono gli oggetti più luminosi del nostro universo, e costituiscono uno dei campi di ricerca più coinvolgenti della moderna astrofisica.

13 febbraio 2012

Cosa è la Fisica?