Il termometro perfetto della luce

Il più preciso termometro esistente è stato realizzato ad Adelaide (Australia). Ancora una volta è la luce a permettere questo risultato prodigioso. Forse sarebbe ora di conoscere meglio il nostro carissimo amico fotone, quella strana particella che non sempre è tale… Arrivederci a luglio…

Il nuovo termometro riesce a percepire variazioni di temperatura di 30 miliardesimi di grado al secondo. Ciò vuole anche dire riuscire a compiere misure vicinissime allo zero assoluto. Teniamo presente che la temperatura è qualcosa di estremamente variabile. Infatti, se guardassimo gli atomi di un qualsiasi materiale li vedremmo in continuo movimento. E ciò che si muove, anche a livello microscopico, vuole dire produzione di energia termica. Perché, allora, non usare la luce, che si trova benissimo nel mondo microscopico, per misurare il movimento del microcosmo e, di conseguenza, la temperatura?

Il nuovo termometro invia due colori dello spettro elettromagnetico (rosso e verde) su un disco cristallino pulito perfettamente. I due colori, come ben sappiamo, si muovono a velocità leggermente diversa. Inoltre, la variazione di velocità dipende dalla temperatura del cristallo. Quando viene scaldato, la luce rossa rallenta rispetto a quella verde. La differenza è, però, minima. Non resta che amplificarla. E come? Facendo girare la luce migliaia di volte intorno ai bordi del disco. Ad ogni giro la differenza si somma e alla fine è possibile misurare una quantità non più piccola come all’inizio. Una cosa simile viene fatta anche per il suono.

Ancora una volta, i fotoni non solo rappresentano l’unica informazione (per adesso) che viaggia nell’Universo, ma sono in grado di farci capire le più flebili variazioni della struttura della materia. Abbiamo già imparato a conoscere certe interazioni che diventano macroscopiche e danno luogo a fenomeni fondamentali nel Cosmo, come l’effetto Compton o quello fotoelettrico. In particolare è interessantissimo capire (o meglio conoscere) ciò che capita fino ai bordi del nucleo atomico, il cui confine è stabilito da altre particelle estremamente sensibili e collaboratrici: gli elettroni.

La matematica che li descrive è estremamente complessa, ma con l’aiuto di un genio della divulgazione come Richard Feynman, tutto diventa possibile. Ho, quindi, deciso di farmi aiutare da lui (anzi seguirlo) per descrivere il viaggio avventuroso di un fotone durante la sua conquista dell’Universo, soprattutto a livello microscopico. Ovviamente, si dovrà fare uso della meccanica quantistica, anzi di una scienza vera e propria: l’elettrodinamica quantistica.

termometro di luce
Un’immagine, generata al computer, del termometro di luce. Una piccola differenza nella velocità delle due frequenze usate (rosso e verde) è in grado, dopo essere stata amplificata, di dirci la temperatura con una precisione di 30 miliardesimi di grado al secondo. Fonte: Dr James Anstie, IPAS and School of Chemistry and Physics, University of Adelaide

Essa è in grado di descrivere quasi tutto, a parte (per adesso) la gravità e l’interno di un nucleo atomico (in quest’ultimo caso, però è un’ottima via di accesso). Cominceremo con un fenomeno conosciuto da tutti, ma che nessuno riesce a spiegarsi: la riflessione parziale della luce su un vetro o cose del genere. Perché molti fotoni passano attraverso e altri, invece, tornano indietro? E’ facile dire riflessione, ma la descrizione è tutta un’altra cosa. Il fotone, munito di un suo orologio particolare, riuscirà a spiegarcelo e capiremo che in qualche modo esegue scelte per noi incomprensibili. E poi, l’appetito vien mangiando e moltissime altre cose sveleranno i loro segreti più reconditi. Ricordiamoci, però, che dobbiamo entrare nella MQ e quindi possiamo solo chiederci “Come?” e non certo “Perché?”.

A luglio ci divertiremo…

Articolo originale (sull’orologio) QUI

di Vincenzo Zappalà – tratto da: L’Infinito Teatro del Cosmo

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