You Can’t See Atoms, so Why Can You See Stars?

[giulio786]

Un articolo davvero interessante.
https://www.vaticanobservatory.org/sacred-space-astronomy/you-cant-see-atoms-so-why-can-you-see-stars/?utm_source=Vatican+Observatory+Foundation&utm_campaign=935198b566-EMAIL_CAMPAIGN_2023_02_15_NEWSLETTER&utm_medium=email&utm_term=0_9b100f7d58-935198b566-476746873

[Albertus]

saluti

uhm...si possono vedere le stelle, ad occhio nudo, ma non si possono vedere la maggior parte delle galassie o delle nebulose
anche se la dimensione angolare delle galassie e delle nebulose è maggiore di quella delle stelle
la differenza la fa la luminosità superficiale
Non vedo perchè si debba vedere una fila di 50 atomi anche se la dimensione angolare è pari a quella delle stelle

[cesarelia]

In questo articolo si parlava solo di stelle, quindi senza una luminosità superficiale.

Poi le conclusioni dell'articolo sono alquanto ovvie per chi conosce come funziona la luce, la diffrazione e qualsiasi strumento di acquisizione (occhio o sensore).
Però l'articolo fa riflettere e penso che possa essere istruttivo, magari corredato di qualche argomentazione di ottica.

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[Albertus]

le stelle che vediamo o fotografiamo non sono puntiformi a causa della diffrazione della luce dovuta all'atmosfera
quindi anche per le stelle possiamo parlare, magari impropriamente, di luminosità superficiale
d'altronde il "punto" è un concetto astratto

[cesarelia]

Più l'atmosfera fa rifrazione e dispersione, ma non è questo il punto.

Dovremmo ipotizzare che per l'HST o il WST la luce delle stelle sia puntiforme e non abbia una grandezza ben definita in pixel e quindi in frazioni di arcosecondi?

Hai detto bene che c'entra la diffrazione, ma la causa non è l'atmosfera, ma il diametro dello strumento: un sessantino fa stelle grosse del VLT.

Quello che dice l'articolo è che se poi si confrontasse quella dimensione apparente in arcosecondi (il cerchio di Airy per intenderci) con la distanza della stella, potremmo dedurre che la stella sarebbe supergigante, quando magari nella realtà è una nana bianca.
Morale: mai fidarsi dei cerchi di Airy, perché dipendono dallo strumento con cui si osserva e non dall'oggetto osservato.

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[giulio786]

Non sono espertissimo quindi potrei dire una gran fesseria però mi viene da pensare che la stella è infinitesima ma la luce, avendo comunque una sua lunghezza d’onda, in qualche modo “occupa uno spazio di dimensione finita” che la rende visibile. O forse, più realisticamente, i fotoni eccitano la retina e noi vediamo solo la luce della stella e non la stella stessa, che poi mi sembra sia la conclusione dell’articolo.

[Albertus]

mi stanno bene le considerazioni circa il disco sia airy ecc ma la quantità di energia che ci proviene da quel punto o piccola macchia che chiamiamo stella avrà pure una certa importanza
nei pixel della telecamere si accumulano elettroni anche in fotocamere da poche centinaia di euro
qual'è l'intensità del segnale che ci proviene da una fila di 50 atomi ?
che strumentazione abbiamo bisogno per misurarla ?

[cesarelia]

Rilevare una intensità di segnale, quindi una emissione di radiazione e.m., è una questione puramente dipendente dai classici fattori, che sono comuni a tutti i sistemi sensoriali, analogici o digitali, artificiali o naturali/biologici: l'efficienza quantica, il tempo di esposizione o di scarica del sensore, e il rapporto segnale-rumore.

Per vedere un gruppetto 50 atomi, i fotoni provenienti dall'oggetto devono prima di tutto sormontare il rumore; è quello che è stato fatto con l'atomo fotografato dopo essere stato confinato ed eccitato, in modo da diventare una fonte di segnale sufficientemente forte da sovrastare il rumore, esattamente come si fa con una stella, niente di più, niente di meno. È lo stesso meccanismo con cui riusciamo a captare la presenza di un asteroide, di bassissima magnitudine, come un pixel debolmente illuminato, dove invece con minore sensibilità o peggiore rapporto S/R, non avremmo captato nulla. E questo a prescindere dal campionamento (anzi un campionamento moderato aiuta un singolo pixel - o recettore - a captare bene tutti i fotoni provenienti da quel singolo oggetto e a non disperderli sugli altri pixel).

Ma in realtà nella nostra mente con la parola "vedere" intendiamo implicitamente un'altra cosa: il "distinguere" l'oggetto dal resto che lo circonda, sia esso sfondo nero od altri oggetti confinanti; significa riuscire a separare, come si fa con le stelle doppie; significa delinearne i bordi; oppure risolvere, come quando risolviamo le singole stelle in un ammasso o le singole nebulose in una galassia.
E questo è un altro problema a noi familiare (quello che mette in ballo il disco di Airy), e sappiamo che dipende dal diametro, dalla lunghezza d'onda utilizzata, e dal campionamento (accoppiamento tra focale e dimensione del pixel).
Se ho fatto bene un paio di calcoli, per distinguere in luce visibile 50 atomi dalla distanza di un metro, con una immagine che ricada su un minimo di 3 pixel, servirebbero pixel da 1 micron montati su un obbiettivo da 111 metri di diametro e 2160 chilometri di focale.
(Salvo aver risolto altri problemi pratici, legati all'assorbimento di fotoni da parte degli elettroni, allo scattering tra atomi e fotoni, alle vibrazioni quantistiche del gruppetto di atomi e alle infinitesime vibrazioni meccaniche del sistema camera+obbiettivo.)

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[Albertus]

confesso di non aver mai approfondito queste problematiche ma mi sembra di rilevare alcune contraddizioni
da un lato dici :

"Per vedere un gruppetto 50 atomi, i fotoni provenienti dall'oggetto devono prima di tutto sormontare il rumore; è quello che è stato fatto con l'atomo fotografato dopo essere stato confinato ed eccitato, in modo da diventare una fonte di segnale sufficientemente forte da sovrastare il rumore"

esattamente quello che dicevo io
che senso ha affermare con cotanta enfasi che le stelle sono visibili mentre gli atomi non lo sono anche se hanno la stessa dimensione angolare ?
evidentemente bisogna tener conto anche del rapporto segnale /rumore
Già questa considerazione rende l'articolo un stupidata, a mio giudizio

da un lato parli delle problematiche relative alla "risoluzione" di un oggetto per poterlo "distinguerlo" dagli oggetti circostanti
su questo punto sono d'accordo, infatti le stelle sono isolate a differenza dei gruppi di atomi
da qui la necessità non solo di "eccitare" il gruppo di atomi ma anche di "confinarli"
su questo punto non mi pronuncio
rimane però il fatto che gli atomi sono stati fotografati e non credo che abbiano usato un'apertura di qualche km

[cesarelia]

Non hanno fotografato l'atomo, ma hanno solo rilevato la luce che emanava: è diverso.
Altrimenti anche io potrei fotografare le Alpi da 500km e dire che ho fotografato la cima innevata del Monte Bianco perché nella foto si vede un pixel luminoso...

Questa differenza viene sottolineata anche nell'articolo; il quale può sembrare facilmente una "stupidata", perché hai ragione, in realtà è un po' lo è: affronta un quesito che in realtà scientificamente non ha senso; poi sfata il mito dell'atomo fotografato tanto "miracolosamente", ma per chi conosce un po' la fisica queste cose fanno sorridere, non hanno alcuna utilità e lasciano il tempo che trovano.

Ma per chi è a digiuno di concetti di Fisica potrebbe essere, forse, anche un articolo stimolante, istruttivo, che porta il lettore a riflettere sulle differenze tra captare un segnale e decifrarlo per conoscerne struttura e aspetto.

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[Albertus]

forse non ho ben chiaro questi concetti non avendo mai approfondito questa parte della fisica
ti faccio però una domanda
supponiamo che sia possibile eccitare i 50 atomi in modo tale che emettano nello spettro visibile la stessa quantità di luce che emette una stella sotto lo stesso angolo
vuoi dire che la fila di 50 atomi opportunamente confinata non sarebbero ugualmente visibile ?
non vedremmo, in altre parole, una macchietta luminosa simile ad una stella ?

[cesarelia]

Ma certo che quella macchietta luminosa sarebbe visibile: sono fotoni, e l'obbiettivo (o l'occhio) raccoglie qualunque fotone senza discriminazione e lo fa schiantare sul sensore.

Quello che si sta discriminando è tra schiantare genericamente dei fotoni in un punto semicasuale del sensore oppure usarli per generare sul sensore una immagine definita e precisa dell'oggetto che ha generato quei fotoni.

In altre parole, dal punto di vista della semplice ottica geometrica (non quantistica), quella macchietta luminosa non è veramente la "immagine" di quegli atomi, ma solo una emissione luminosa che proviene da essi; il sensore ha fatto solo da rivelatore, ci dice che lì, o più o meno lì, qualcosa c'è, ma non che forma e dimensione ha.

Ora ipotizziamo che questa emissione avesse avuto in origine una sua struttura e dimensione ben definita, cioè che tutti i fotoni emessi dai 50 atomi e sparati in tutte le direzioni, avessero una loro distribuzione nello spazio, e che questa distribuzione rispecchiasse la struttura e la dimensione di quegli atomi; questo è abbastanza plausibile.
Purtroppo però, quando un piccolo gruppetto di quei fotoni entra nell'obbiettivo, subiscono la diffrazione e vengono profondamente alterati; quegli stessi fotoni che erano partiti con un loro ordine dall'oggetto, ora sono stati resi "parzialmente ubriachi" e non possono più giungere precisi sul sensore.
Quindi è impossibile utilizzare la macchietta luminosa per risalire alla forma e alla dimensione di ciò che l'ha generata.

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[Albertus]

i pixel luminosi sul nostro CCD sarebbero
" un immagine definita precisa dell'oggetto (stella) "
mentre la macchietta luminosa proveniente da 50 atomi eccitati solo
"un punto semi casuale sul sensore "
qual'è la differenza ?

se i fotoni emessi dai 50 atomi avessero una loro distribuzione nello spazio...
e se sotto lo stesso angolo fossero ammassate 50 stelle, a pari flusso totale ... ?
avrebbero una loro distribuzione nello spazio ?

non sto dicendo che l'articolo sia tutto sbagliato, voglio dire che qualche volta gli scienziati vogliono stupire con frasi ad effetto e qualche volta fanno esempi sciocchi

50 atomi e una stella hanno in comune soltanto l'angolo che li sottende tutto il resto è diverso
un paragone per lo meno...molto forzato

[Red Hanuman]

Un conto è la rilevabilità, un altro è la risoluzione.

Rilevabile è ciò che è possibile individuare con un'opportuno strumento, e che può essere distinto dal rumore di fondo.
Risolubile è ciò di cui puoi distinguere i particolari.

E' evidente che la la stragrande maggioranza della superficie delle stelle (e gli atomi in opportune condizioni) è rilevabile ma non risolubile.

[Albertus]

immaginiamo un esperimento mentale
un gruppo di 50 atomi emette uno spettro visibile di intensità pari a quello di una stella sotto lo stesso angolo
i 50 atomi sono perfettamente confinati in modo che il rumore di fondo sia paragonabile a quello di un cielo nero
non sarebbe anch'esso rilevabile ma non risolubile ?

la domanda retorica :

You Can’t See Atoms, so Why Can You See Stars ?

non mi sembra particolarmente acuta
l'angolo sotteso può essere uguale ma il rapporto segnale/rumore completamente diverso

inoltre che differenza c'è tra :

rivelare-risolvere e vedere ?

un oggetto "rivelato" è anche "visto" anche se non è "risolto"

[Red Hanuman]

inoltre che differenza c'è tra :

rivelare-risolvere e vedere ?

un oggetto "rivelato" è anche "visto" anche se non è "risolto"

Non direi "visto" ma "percepito". Sappiamo che c'è qualcosa, ma per "vederla" bisogna anche capire cos'è.

Fintanto che non ne risolviamo i dettagli, possiamo dire di averlo percepito, possiamo anche cognitivamente sapere cos'è usando e integrando diversi metodi di indagine.
Ma "vederlo" è qualcosa in più, è percepirne i dettagli ed averne una cognizione diretta. Magari distorta e incompleta, ma diretta.

[cesarelia]

Il verbo "vedere" è impreciso, ha una accezione variabile, non è un termine molto scientifico. A seconda dei casi a volte lo si contrappone, altre volte invece lo si equipara, ai verbi "osservare" o "guardare".
Scientificamente invece rilevare significa che un dato segnale (di energia o particelle) viene raccolto e contato.
Invece risolvere significa poter classificare il segnale, cioè suddividerlo in parti che siano significative secondo un prefissato criterio; nel nostro caso lo si fa secondo un criterio spaziale, cioè la loro direzione di provenienza: i fotoni dovrebbero provenire da angoli leggermente diversi così da farci conoscere la distribuzione nello spazio dei 50 atomi (il primo atomo sta più a sinistra, un altro sta leggermente più a destra, un altro è andato a farsi una passeggiata più in alto, etc...)


non sarebbe anch'esso rilevabile ma non risolubile ?Esatto


i pixel luminosi sul nostro CCD sarebbero
" un immagine definita precisa dell'oggetto (stella) "
La mia frase da te citata non si riferiva alle stelle.
Sia l'immagine dei 50 atomi sia quella di una stella non possono essere considerate definite e precise, nemmeno lontanamente.
Una immagine di Giove invece sì, e anche persino una di Urano o di un asteroide (con strumenti adatti): anche quando non riusciamo a risolvere le differenze di intensità di luce (risoluzione di contrasto) o di colore (profondità di colore), possiamo però affermare che i fotoni provengono da angolazioni differenti che assumono un significato - la sagoma dell'asteroide, ad esempio.

Dunque quando "risolviamo" otteniamo una immagine che dipende come minimo dalla sagoma dell'oggetto ripreso; e potendo risolvere meglio, noteremo anche le differenze di albedo o di colore all'interno dell'oggetto.
Invece la macchiolina luminosa di una stella o di un gruppo di 50 atomi avrà una forma che non dipende dall'oggetto, ma dalla forma del diaframma.
Un caso particolare è quello del diaframma circolare che produce il famosissimo disco di Airy: quella non è la vera immagine di una stella! Infatti non dipende dalla stella ma dalla forma del diaframma; basta cambiare la forma del diaframma per avere le figure più fantasiose, ed è una cosa che facciamo frequentemente con le maschere di Bahtinov, di Hartmann, di Carey... sono tutte figure di diffrazione.
https://www.grag.org/confronto-tra-maschere-di-aiuto-alla-messa-a-fuoco/
Ma forse non avevamo mai riflettuto sul fatto che il tubo stesso è a sua volta una maschera! E genera una sua figura di diffrazione (il disco di Airy).

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[Albertus]

mi sembra che stiamo scadendo in discorsi vagamente filosofici

"Sia l'immagine dei 50 atomi sia quella di una stella non possono essere considerate definite e precise, nemmeno lontanamente"

appunto ;)

però la frase

"You Can’t See Atoms, so Why Can You See Stars?"

sembrerebbe suggerire chissà quali profonde considerazioni fisiche invece è una banalità

l' immagine di 50 atomi e l'immagine di 50 stelle a parità di angolo di vista - di flusso di energia e di rumore di fondo...

indipendentemente che le si voglia definire : rivelate o risolte , viste o percepite o qualcosa d'altro sarebbero semplicemente :
la stessa immagine

gli atomi non si vedono e le stelle si vedono perchè il flusso di energia e il rumore di fondo sono di ordini di grandezza enormemente diversi...anche le stelle non si vedono di giorno :)

[cesarelia]

Bingo!

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