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10 Cose impossibili I fisici sono appena resi possibili
Nello strano mondo della fisica, l'impossibile è sempre possibile. Ma negli ultimi tempi, molti scienziati sono riusciti a superare anche questo avvertimento e hanno raggiunto alcuni primati spettacolari.
10 Freddegiamento della legge
In passato, gli scienziati non potevano raffreddare un oggetto oltre una barriera chiamata "limite quantico". Per rendere qualcosa di gelido, un laser deve rallentare i suoi atomi e le loro vibrazioni producenti calore. Ironia della sorte, la luce laser porta calore all'accordo. Nonostante l'abbassamento della temperatura, impedisce anche che scenda al di sotto del limite quantico. Sorprendentemente, i fisici hanno progettato un tamburo di alluminio vibrante e sono riusciti a ridurre la sua temperatura a 360 microKelvin, o 10.000 volte più freddo rispetto alle profondità dello spazio. Il tamburo misurava 20 micrometri di diametro (un capello umano era di 40-50 micrometri) e l'esperimento sfidava il famoso limite.
Una volta ritenuto impossibile, l'innovazione è stata una nuova tecnica laser che può "schiacciare" la luce, dirigendo le particelle con una stabilità più intensa in una direzione. Ciò ha rimosso le fluttuazioni del laser che hanno aggiunto calore. Il tamburo è l'oggetto meccanico più freddo mai registrato, ma non la materia più fredda, che è un condensato di Bose-Einstein. Ciò nonostante, l'impresa potrebbe un giorno svolgere un ruolo nell'elettronica superveloce e contribuire a svelare i comportamenti estranei del mondo quantico che appaiono quando i materiali si avvicinano ai loro limiti fisici.
9 La luce più brillante
Il fulgore del nostro Sole è già degno di nota. Ora, immagina la luce combinata di un miliardo di Soli. Questo è l'equivalente di ciò che i fisici hanno recentemente riportato in vita in un laboratorio. Ufficialmente la luminosità più brillante mai vista sulla Terra, anche la luce si è comportata in modo inaspettato. Ha cambiato le apparenze degli oggetti.
Per capire questo, bisogna guardare a come funziona la vista. I fotoni devono disperdersi dagli elettroni prima che la visione diventi possibile. In circostanze normali, gli elettroni colpiscono un fotone alla volta. Quando qualcosa diventa più luminoso, la forma di solito rimane uguale a quella della luce inferiore. Il potente laser utilizzato nell'esperimento ha sparpagliato 1.000 fotoni che lasciano a bocca aperta. Poiché la diffusione equivale alla visibilità, l'intensità con cui è avvenuta ha cambiato il modo in cui i fotoni si sono comportati e, di conseguenza, come viene percepito un oggetto illuminato. Questo strano effetto divenne più evidente quando la super-luce si fece più forte. Poiché la normale energia e direzione dei fotoni sono state alterate, luce e colori sono stati prodotti in modi insoliti.
8 buco nero molecolare
Una squadra di fisici ha recentemente creato qualcosa che si è comportato come un buco nero. Hanno schierato il più potente laser a raggi X esistente, la Linac Coherent Light Source (LCLS), per zappare le molecole di iodometano e iodobenzene. I ricercatori si aspettavano che il raggio assorbisse la maggior parte degli elettroni dall'atomo di iodio della molecola, lasciando il vuoto. In esperimenti con laser più deboli, questo vuoto ha aspirato gli elettroni dalla parte più esterna dell'atomo. Quando LCLS ha colpito, l'evento atteso, seguito da qualcosa di sorprendente. Invece di fermarsi con se stesso, l'atomo di iodio ha iniziato a mangiare elettroni dagli atomi di idrogeno e carbonio vicini. Era come un minuscolo buco nero dentro una molecola.
Le esplosioni successive hanno eliminato gli elettroni rubati, ma il vuoto ha risucchiato ancora. Il ciclo è stato ripetuto fino a quando l'intera molecola è esplosa. L'atomo di iodio era l'unico atomo che si comportava così. Più grande del resto, ha assorbito un'enorme quantità di energia dei raggi X, perdendo i suoi elettroni originali. La perdita lasciò l'atomo con una carica abbastanza forte per strappare gli elettroni dagli atomi più piccoli.
7 Idrogeno metallico
È stato definito il "Santo Graal della fisica delle alte pressioni", ma finora nessuno scienziato è mai riuscito a forgiare l'idrogeno metallico. Come possibile superconduttore, è una forma molto ricercata dell'elemento normalmente gassoso. La possibilità di trasformare l'idrogeno in un metallo fu proposta per la prima volta nel 1935. I fisici teorizzarono che una pressione enorme poteva causare la trasformazione. Il problema era che nessuno poteva produrre quel tipo di pressione estrema.
Nel 2017, una squadra statunitense ha perfezionato una vecchia tecnica e ha introdotto per la prima volta il materiale teorico. Gli esperimenti precedenti sono stati eseguiti all'interno di un dispositivo chiamato cellula dell'incudine diamantata. La forza è generata dall'uso di due diamanti sintetici l'uno di fronte all'altro, ma si sono sempre incrinati nel punto critico. I fisici hanno utilizzato la camera cellulare, ma hanno progettato un nuovo processo di modellatura e lucidatura che ha impedito le terribili fratture. Il dispositivo è stato quindi in grado di produrre una pressione impressionante: oltre 71,7 milioni di sterline per pollice quadrato. Nemmeno al centro della Terra si trova una tale compressione.
6 Chip del computer con cellule cerebrali
Quando si tratta della linfa vitale dell'elettronica, la luce potrebbe un giorno sostituire l'elettricità. I fisici hanno capito il potenziale della luce in questo senso decenni fa, quando è diventato chiaro che le sue onde potevano viaggiare l'una accanto all'altra e svolgere così una miriade di compiti contemporaneamente. L'elettronica tradizionale si affida ai transistor per aprire e chiudere i percorsi per l'elettricità, limitando ciò che può essere fatto. Un'invenzione recente notevole era un chip di computer che imitava il cervello umano. Rapidamente "pensa" usando raggi di luce che interagiscono tra loro, in un modo analogo ai neuroni.
In passato, sono state create reti neurali più semplici, ma l'apparecchiatura ha occupato diverse tabelle. Qualunque cosa più piccola era ritenuta impossibile. Realizzato in silicone, il nuovo chip misura un paio di millimetri e calcola con 16 neuroni.La luce laser entra nel chip e quindi si divide in raggi che segnalano numeri o informazioni variando in luminosità. L'intensità dei laser che escono dà la risposta al numero di scricchiolii o qualsiasi informazione sia stata richiesta per fornire una soluzione.
5 Forma impossibile della materia
Saluta i supersolidi. Questo strano gioco non è così terribilmente duro come suggerisce il nome. Invece, il materiale bizzarro ha la rigida struttura cristallina di tutti i solidi e allo stesso tempo sembra essere un fluido. Questo paradosso era destinato a rimanere irrealizzato perché sfidava la fisica nota. Nel 2016, tuttavia, due team scientifici indipendenti hanno prodotto materiale recante i marchi di un supersolido. Incredibilmente, entrambi hanno usato approcci diversi per fare ciò che molti pensavano non fosse possibile ottenere da una singola tecnica.
Gli scienziati svizzeri hanno creato un condensato di Bose-Einstein (la materia più fredda di sempre) mediante il raffreddamento a vuoto del gas di rubidio sull'estremo ghiacciato. La condensa è stata quindi spostata in un dispositivo a doppia camera, ciascuna camera contenente piccoli specchi contrapposti. I laser incoraggiavano una trasformazione e le particelle reagivano sistemandosi nel modello cristallino di un solido, mentre il materiale manteneva la sua fluidità. Gli americani sono arrivati alla stessa strana materia ibrida, ma hanno creato il loro condensato dopo aver trattato gli atomi di sodio con raffreddamento evaporativo e laser. Quindi hanno usato i laser per spostare la densità degli atomi fino a quando la struttura cristallina è comparsa nel loro campione liquido.
4 Fluido a massa negativa
Nel 2017, i fisici hanno progettato una cosa da capogiro: una forma di materia che si muove verso la forza che lo ha allontanato. Sebbene non sia esattamente un boomerang, ha ciò che si potrebbe chiamare massa negativa. La massa positiva è la normalità a cui la maggior parte delle persone è abituata: Spingi qualcosa e l'oggetto accelera nella direzione in cui è stato spinto. Per la prima volta, è stato creato un fluido che si comporta diversamente da chiunque abbia mai visto nel mondo fisico. Quando viene spinto, accelera all'indietro.
Ancora una volta, un condensato di Bose-Einstein fu ghiacciato dagli atomi di rubidio. Gli scienziati ora avevano un superfluido con massa regolare. Hanno radunato i suoi atomi strettamente insieme ai laser. Poi un secondo set di laser ha preoccupato gli atomi di alterare il modo in cui ruotano. Una volta rilasciato dalla tenuta stretta dei primi laser, un fluido normale si sarebbe diffuso verso l'esterno e lontano dal suo centro, che fondamentalmente sta facendo la spinta. Il superfluido di rubidio alterato, ad una velocità abbastanza veloce, non si diffuse quando fu rilasciato, ma si fermò in un'esposizione di massa negativa.
3 cristalli temporali
Quando Frank Wilczek, un fisico vincitore del premio Nobel, suggeriva i cristalli temporali, l'idea suonava pazzesca, specialmente la parte in cui potevano produrre movimento allo stato fondamentale, il più basso livello di energia nella materia. Il movimento è teoricamente impossibile perché l'energia è necessaria dove c'è poco o nulla. Wilczek riteneva che il movimento perpetuo potesse essere ottenuto lanciando l'allineamento atomico di un cristallo dentro e fuori dallo stato fondamentale. La struttura atomica di tale oggetto si ripeterà nel tempo, producendo una commutazione costante senza bisogno di energia. Ciò è andato contro le leggi della fisica, ma nel 2017, cinque anni dopo che Wilczek aveva immaginato la materia bizzarra, i fisici hanno capito come realizzarne alcuni.
Una squadra ha manipolato dieci ioni di itterbio interconnessi con due laser. Uno formava un campo magnetico, mentre il secondo aggiustava la rotazione degli atomi fino a che la lancia di Wilczek avveniva. Ad Harvard, un cristallo del tempo è nato quando impurità di azoto sono state girate in diamanti. Anche se i cristalli del tempo sono ora accettati e non solo una teoria folle, devono essere periodicamente sottoposti a zapping per continuare a ribaltare. Potrebbero non essere i dispositivi perpetui di Wilczek, ma i cristalli del tempo rimangono diversi da qualsiasi cosa i ricercatori abbiano mai studiato.
2 specchi di Bragg
Uno specchio di Bragg non può riflettere molto ed ha una dimensione da 1.000 a 2.000 atomi. Ma può riflettere la luce, il che lo rende utile nei luoghi in cui sono necessari i più piccoli specchi, come nell'elettronica avanzata. La forma non è convenzionale; gli atomi pendono nel vuoto, assomigliando ad una fila di perline. Nel 2011, un gruppo tedesco ha creato quello più riflessivo fino ad oggi (80%) incanalando un gruppo di dieci milioni di atomi in un modello reticolare.
Da allora, le squadre danese e francese hanno ampiamente condensato il numero di atomi necessari. Invece di zapping atomi raggruppati, li hanno messi insieme a fibre ottiche microscopiche. Se distanziato correttamente, la condizione di Bragg applicata rifletteva una lunghezza d'onda della luce direttamente al suo punto di origine. Quando la luce veniva trasmessa, alcuni sfuggivano dalla fibra e colpivano gli atomi. Le corde danese e francese riflettevano rispettivamente il 10 e il 75 percento, ma entrambe restituivano la luce lungo la fibra nella direzione opposta. Oltre a promettere progressi senza limiti nella tecnologia, potrebbe anche un giorno dimostrarsi utile in dispositivi quantici estranei, dal momento che gli atomi utilizzavano anche il campo di luce per interagire l'uno con l'altro.
1 magnete 2-D
I fisici hanno cercato di creare una calamita 2-D sin dagli anni '70, ma si sono sempre incontrati con un fallimento. Un vero magnete 2-D manterrà le sue proprietà magnetiche anche dopo che è stato ridotto allo stato che lo rende bidimensionale, uno strato di appena un atomo di spessore. Gli scienziati hanno iniziato a dubitare che un simile magnete fosse persino possibile.
Nel giugno 2017, i ricercatori hanno scelto il triioduro di cromo nel tentativo di creare un magnete 2-D. Il composto era attraente per diverse ragioni: era un cristallo stratificato, perfetto per diradarsi e dotato di un campo magnetico permanente, ei suoi elettroni avevano una direzione di rotazione preferita.Questi erano punti più importanti che hanno aiutato il triioduro di cromo a rimanere magnetico, anche dopo che il cristallo è stato sbucciato nel suo ultimo strato di atomi.
Il primo vero magnete 2-D al mondo è emerso ad una temperatura sorprendentemente calda di -228 gradi Celsius (-378 ° F). Ha smesso di essere un magnete quando è stato sostituito un secondo strato, ma ha riacquistato le sue proprietà quando sono stati aggiunti un terzo e un quarto foglio. Al momento, non funziona a temperatura ambiente e l'ossigeno lo danneggia. Nonostante la loro fragilità, i magneti 2-D consentiranno ai fisici di completare esperimenti non possibili fino ad ora.