Il Pesa-Nervi

«Lei parla a vanvera, giovanotto!
No, penso a dei critici con la barba».

Lene Vestergaard Hau, la donna che fermò la luce

Biografia e ricerche di una scienziata da Nobel.

[Una foto di Lene Vestergaard Hau]Lene Vestergaard Hau nacque a Vejle, una città danese di circa cinquantamila abitanti situata sull'omonimo fiordo [1], nella parte nordoccidentale di Fredericia, sulla costa orientale dello Jutland, il tredici novembre del 1959. Nonostante provenisse da una famiglia priva di qualsiasi legame con il mondo della scienza (il padre lavorava nell'industria calorifera, e la madre in un semplice negozio), sviluppò sin da piccola una grande abilità nello studio e nella comprensione della matematica; una dote, questa, che le permise addirittura di tralasciare l'ultimo anno di scuole secondarie (medie), ed entrare direttamente al ginnasio. Considerando ella stessa le sue grandi capacità di apprendimento nel campo delle cosiddette "scienze dure" (dall'inglese: hard sciences), decise quindi di proseguire i suoi studi in fisica e matematica, iscrivendosi all'Università di Aarhus [2], situata a pochi chilometri dalla città in cui viveva.

Il suo primo approccio con la fisica non fu per lei così interessante, nel senso che non corrispondeva affatto alle sue aspettative. Riprendendo le sue stesse parole:

Quando iniziai per la prima volta a frequentare l'Università di Aarhus, lo studio della fisica mi annoiava. I professori ci insegnavano solo la termodinamica e la meccanica classica, e questo mi annoiava parecchio. Ma mi piaceva la matematica, e quindi in quel periodo preferivo dedicarmi a quest'ultima, piuttosto che passare le giornate al cinema. Dopo qualche tempo però, scoprii la meccanica quantistica, il che riaccese il mio interesse per la fisica.

Dopo aver conseguito la laurea in matematica nel 1984, la Hau continuò i suoi studi all'università di Aarhus, al fine di ottenere un Master in fisica, che ricevette soltanto due anni dopo. Per le sue ricerche di dottorato sulla teoria quantistica, la Hau lavorò su idee simili a quelle inerenti al trasporto della luce in fibre ottiche, con la differenza che i suoi studi includevano anche gruppi di atomi in un cristallo di silicio per il trasporto di elettroni. Mentre lavorava per l'ottenimento del dottorato, la Hau trascorse sette mesi al CERN [3].

Strada facendo, dovette necessariamente approfondire le sue conoscenze delle lingue inglese, francese e tedesca. La conoscenza (seppur discreta) del francese fu per lei di vitale importanza durante i sette mesi di ricerca che condusse al CERN. Ricordando il periodo trascorso a Ginevra, disse: «Mi piaceva molto la vita al CERN. La gente era veramente appassionata del proprio lavoro. Persino alle tre del mattino, era possibile scorgere sempre qualcuno nei laboratori».

Conseguì il Ph.D. nel 1991, ma le sue ricerche cambiarono direzione molto prima di quella data. Torniamo quindi un attimo indietro nel tempo, per capire meglio le cose. Nel 1988, ricevette una borsa di studio dalla Fondazione Carlsberg [4], che le permise di dedicarsi per un anno intero alla sola ricerca. Un periodo che la Hau ricorda con queste parole:

Fui davvero fortunata ad essere di nazionalità danese. La Danimarca ha una lunga tradizione scientifica, nella quale troviamo incluso anche il grande fisico Niels Bohr, uno dei principali fondatori della teoria quantistica. In Danimarca, la fisica è ampiamente rispettata sia dagli scienziati che dai profani in materia; dove questi ultimi, molte volte, contribuiscono anche al suo sviluppo. Per fare un esempio, la ricerca nel campo della meccanica quantistica, è stata supportata in Danimarca dai produttori di birra Carlsberg sin dagli anni venti; io stessa, fui supportata dalla Carlsberg, grazie ad una borsa di studio che mi permise di dedicarmi al solo ambito della ricerca, per un periodo di un anno.

In quello stesso anno (1988), la Hau si trasferì all'università di Harvard, negli Stati Uniti, dove incontrò Jene A.Golovchenko, con il quale discusse le sue idee a proposito di quelle che sarebbero state, da li a poco, le sue "future ricerche". Golovchenko lavorava sia all'Università di Harvard che al Rowland Institute for Science [5], situato anch'esso a Cambridge, nello stato del Massachusetts. Così ricorda la Hau le sue prime discussioni con Jene Golovchenko:

Dissi a Jene quello che sino ad allora avevo fatto, e che volevo procedere verso un totale cambiamento di rotta. Volevo lavorare sugli atomi freddi. Egli mi disse che non sapeva nulla sugli atomi freddi, ma che comunque ci avremmo potuto lavorare sopra insieme. E così, qualche tempo dopo, il Rowland Institute mi concesse il beneficio di un laboratorio tutto per me e di uno staff con il quale lavorare e portare avanti così le mie ricerche.

Anche se, durante il suo primo anno ad Harvard, le ricerche della Hau furono in gran parte supportate dai finanziamenti della Carlsberg, più avanti ella si avvalse della carica (o nomina, se preferite) di Gordon McKay, Professor di Fisica Applicata ad Harvard, in qualità di "Principale investigatore per i gruppi atomici freddi al Rowland Institute. Un articolo del 1992, intitolato: "Bound states of guided matter waves: An atom and a charged wire", descrive il lavoro con il quale ella ottenne il dottorato. La sua notorietà, comunque, non fu dovuta tanto al suo lavoro di tesi, quanto ai suoi successivi esperimenti tesi a rallentare la luce. Il diciotto febbraio del 1999, la rivista Nature [6] scelse come articolo di copertina il saggio intitolato: "Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas" (tradotto: "Riduzione della velocità della luce a diciassette metri al secondo in un gas atomico ultrafreddo"), scritto da Lene Hau in collaborazione con Stephen Harris dell'Università di Stanford e due studenti di Harvard (Zachary Dutton e Cyrus Behroozi). Nei successivi esperimenti si arrivò a rallentare la luce fino alla velocità di un miglio orario, poi nel 2001 il suo team fu in grado di fermare letteralmente la luce per un millesimo di secondo. Uno strabiliante risultato che la Hau commentò con queste parole: «Questa è una durata di tempo straordinaria. Ma crediamo che la luce possa essere fermata per molto più tempo (...)». Il modo in cui questo risultato è stato realizzato, implica necessariamente una descrizione tecnica.

Il primo passo fu la creazione del "candelabro" [7], un dispositivo di fondamentale importanza che la Hau e Jene Golovchenko concepirono e costruirono nel 1994; un apparecchio che Lene Hau descrisse così:

Il candelabro è un dispositivo con il quale vengono estrapolati degli atomi di sodio da un metallo di sodio [8] fuso, e proiettati in un apparato refrigerante, che grazie a dei laser, raffredda gli atomi ad una temperatura di 50 bilionesimi di grado sopra lo zero assoluto [9].

Questo dispositivo servì quindi negli esperimenti atti a rallentare la luce. In tale congegno, gli atomi di sodio vengono in seguito intrappolati in un magnete e raffreddati maggiormente da un processo di evaporazione. Il risultato è quello di un condensato di Bose-Einstein [10] contenente milioni di atomi. Tale condensato fu predetto da Satyendranath Bose e Albert Einstein nel 1924, ma la sua verifica non si potè eseguire sperimentalmente fino al 1995, anno in cui, grazie all'enorme sviluppo tecnologico avutosi in più di mezzo secolo di ricerche in ogni ambito della scienza, fu possibile produrre delle temperature abbastanza basse da creare un condensato in un esperimento, e stabilire quindi definitivamente la fondatezza delle teorie di Bose ed Einstein.

Nonostante il condensato in questione contenga milioni di atomi, esso si comporta come se fosse costituito da un singolo atomo, continuando ad esibire il classico comportamento dualistico onda-particella. Il motivo del comportamento del condensato di Bose-Einstein è essenzialmente dovuto al Principio di Indeterminazione di Heisenberg, per il quale, a temperature così basse, il momentum [11] degli atomi è conosciuto accuratamente. Ciò vuol dire che, più precisamente il momentum (velocità) di una particella è conosciuto, meno precisamente è possibile misurare la sua posizione, e viceversa.

Negli esperimenti della Hau, una volta che il condensato è stato creato, uno speciale laser, sintonizzato per entrare in risonanza con la massa bloccata di atomi, viene irradiato in tale massa affinché atomi e fotoni di luce restino "impigliati" tra di loro, comportandosi come se fossero una singola cosa (entità). Una sonda a pulsazioni laser viene poi "sparata" nel condensato (già rivestito a sua volta dalla precedente irradiazione laser) da una diversa direzione, e una parte della luce vi passa attraverso, ma ad una velocità venti milioni di volte minore di quella della luce nel vuoto.

Molto più recentemente (febbraio 2007), la Dr.ssa Hau e il suo team di studenti e scienziati hanno eseguito nuovamente gli esperimenti di qualche anno fa (2001), ma cambiando alcuni "dettagli" e arrivando quindi ad ottenere dei nuovi risultati, considerati da molti "addetti ai lavori", addirittura più stupefacenti di quelli del 2001. In questi ultimi esperimenti, anziché usare una sola "nuvola" di atomi di sodio, ne sono state utilizzate due, separate l'una dall'altra da una frazione di millimetro. La Hau cercò di spiegare ai giornalisti i dettagli dell'esperimento:

Un impulso di luce è stato fatto brillare sulla prima nube atomica, imprimendo così un "getto" dello stesso impulso, in un gruppo di atomi "filanti" di sodio, spinti in direzione del secondo condensato. Questo gruppo assai lento di atomi, composto interamente da atomi di sodio, è in grado di convertire la luce in materia. Nel momento in cui tale gruppo di atomi (chiamato "messaggero") si fonde con la seconda nube atomica, un secondo fascio di luce laser vien fatto brillare attraverso il condensato, per far "rivivere" l'impulso di luce originale. Quest'ultimo (ovvero il fascio di luce "ricostruito"), "riparte" immediatamente, accelerando sino a raggiungere la normale velocità della luce. Le analisi hanno rivelato che tale fascio di luce continua a possedere la stessa "proporzione" e lunghezza d'onda di quello originale, seppur un pochino più "debole".

In una breve recensione sull'operato della Hau e colleghi, apparsa recentemente sulla rivista internazionale Nature, il Prof. Michael Fleischhauer dell'università di Kaiserslautern in Germania ha descritto l'esperimento come qualcosa di "notevole ed intrigante". Aggiungendo che la scienza, negli ultimi sei-sette anni, ha fornito le basi per un controllo sperimentale su luce e materia senza precedenti; basi che potrebbero portare, tra non molto tempo, a dei veri e propri "benefici tecnologici" del tutto "reali". Le applicazioni in campo tecnologico potrebbero includere dei dispositivi ottici di memorizzazione e computers quantistici, molto più rapidi e potenti degli attuali.

[1] Un fiordo (dal norvegese fjord, islandese fjörður, da una radice indoeuropea che significa "approdo") è un braccio di mare che si insinua nella costa anche per vari km, inondando un'antica valle glaciale o fluviale. Solitamente infatti le pareti del fiordo sono molto simili a quelle dei calanchi, ripide e scoscese, ma coperte di foreste.

[2] Århus (o Aarhus) è la seconda città più popolosa della Danimarca nonché il principale porto del paese e capoluogo della provincia omonima. Situata sulla costa orientale della penisola dello Jutland, in corrispondenza della foce del fiume Århus, è affacciata sulla baia omonima.

[3] Il CERN, European Organization for Nuclear Research, (storicamente il nome è l'acronimo di Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), è il più grande laboratorio al mondo di fisica delle particelle. Si trova al confine tra Svizzera e Francia alla periferia ovest della città di Ginevra. Qui i fisici cercano di esplorare i segreti della materia e le forze che regolano l'universo. La convenzione che istituiva il CERN fu firmata il 29 settembre 1954 da 12 stati membri. Oggi fanno parte del CERN 20 stati membri più alcuni osservatori anche extraeuropei. Il CERN esiste soprattutto per fornire ai ricercatori gli strumenti necessari per la ricerca in fisica delle alte energie attraverso complessi esperimenti. Questi strumenti sono principalmente gli acceleratori di particelle, che portano le particelle ad energie molto elevate, e i rivelatori che permettono di scoprire nuovi tipi di particelle che si creano durante le collisioni.

[4] Carlsberg è una delle più importanti società produttrici di birra al mondo, presente in circa 50 nazioni.Gli uffici centrali sono situati a Valby, quartiere di Copenaghen. Il marchio principale della società è la Birra Carlsberg, ma produce anche la birra Tuborg oltre a singoli marchi nazionali. La Compagnia è stata fondata nel 1847 da J.C. Jacobsen. Dopo la fusione con il gruppo birrario norvegese Orkla nel Gennaio 2001, Carlsberg è diventata il 5° gruppo mondiale nella produzione di birra, e impiega attualmente circa 31000 persone.

[5] L'istituto Rowland, situato ad Harvard e fondato dall'inventore della fotografia Polaroid (Edwin H.Land), è dedicato alla scienza sperimentale su una vasta gamma di discipline. La ricerca attuale è effettuata nell'ambito della fisica, della chimica e della biologia, con un'enfasi sul lavoro interdisciplinare e sullo sviluppo di nuovi attrezzi sperimentali. L'istituto è situato a Cambridge, Massachusetts, vicino al ponte di Longfellow sopra il fiume Charles, ad alcune miglia di distanza lungo il corso del fiume, dalla città universitaria principale.

[6] Nature è una delle più antiche ed importanti riviste scientifiche esistenti, forse in assoluto (insieme a Science) quella considerata di maggior prestigio nell'ambito della comunità scientifica internazionale. Viene pubblicata fin dal 4 novembre 1869. Pubblica articoli di ricerca riguardanti un ampio intervallo di campi scientifici. Alcune delle più importanti ricerche scientifiche sono apparse su questa rivista: ad esempio, la scoperta dei raggi X e la struttura a doppia elica del DNA.

[7] Il dispositivo che la Hau e colleghi chiamarono "candelabro" incorpora uno "stoppino" costituito da una lamina d'acciaio inossidabile placcata in oro, in grado di assorbire il metallo di sodio fuso e di riscaldarlo fino al punto in cui vaporizza. A tal punto, un "getto" di atomi caldi di sodio "spara fuori" da un foro piccolissimo ed entra immediatamente nell'apparato refrigerante, che lo raffredda ad una frazione molto piccola di un grado sopra lo zero assoluto. Un atomo a temperatura ambiente si muove ad alta velocità, ma quando viene bombardato da ben tre direzioni con dei fasci di luce laser, perde energia e rallenta, ovvero si raffredda (diventa "freddo"). In una complicata serie di fasi, il dispositivo della Dr. Hau usa dei laser per raffreddare gli atomi di sodio, ma solo parzialmente, lasciando quindi che quelli più veloci (ovvero i più caldi) evaporino, mentre quelli più freddi restino "intrappolati" nel suo dispositivo. Al termine di questa operazione di raffreddamento (che dura esattamente 38 secondi), la "nuvola" di atomi intrappolata nel dispositivo si raffredda sino ad una temperatura di cinquanta bilionesimi di grado sopra lo zero assoluto.

[8] Il sodio, nella sua forma metallica, è un componente essenziale nella produzione di esteri e di composti organici. Questo metallo alcalino è anche uno dei componenti del cloruro di sodio (NaCl) che è essenziale per il metabolismo cellulare.

[9] Lo zero assoluto è la temperatura più bassa che teoricamente si possa ottenere in qualsiasi sistema macroscopico. Corrisponde a 0 K (-273,15 °C; -459,67 °F).

[10] Il condensato di Bose-Einstein (in sigla BEC) è uno stato della materia che si ottiene quando si porta un insieme di bosoni a temperature estremamente vicine allo zero assoluto (0 K, oppure -273,15 gradi Celsius). In queste condizioni di grande raffreddamento, una frazione non trascurabile delle particelle si porta nello stato quantistico di più piccola energia e gli effetti quantistici si manifestano su scala macroscopica. Questo stato della materia venne predetto per la prima volta, sulla base della meccanica quantistica da Albert Einstein, basandosi sul lavoro di Satyendra Nath Bose, nel 1925. Settanta anni più tardi, il primo condensato di questo tipo fu prodotto da Eric Cornell e Carl Wieman, nel 1995, presso il laboratorio NIST-JILA dell'Università del Colorado, usando un gas di rubidio alla temperatura di 170 nanoKelvin (nK). Cornell e Wieman e Wolfgang Ketterle hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 2001.

[11] In fisica con momentum si intende semplicemente una quantità di moto, esprimibile in termini matematici con la seguente equazione: p = m * v, dove "p" rappresenta la quantità di moto, ovvero il momentum, "m" la massa e "v" la velocità. L'equazione illustra che la quantità di moto è direttamente proporzionale alla massa dell'oggetto e direttamente proporzionale alla velocità dell'oggetto.

Commenti dei lettori

  1. Commento di RUSSO Vincenzo - 19/10/2010 ore 16,30

    La mente riceve le informazioni dal tempo-spazio a velocità tachionica. Occasionalmente il cervello le percepisce anche dal futuro.
    Questo è il vero motivo del deja vu. Siamo gia stati nella nostra vita.
    Poi il cervello la rivisita a velocità inferiori.
    Tempo fa Stephen Hawking voleva poter conoscere la Mente di Dio. Per questo io gli dedicai il mio libro: "Il Tachione il dito di Dio". Ora ha cambiato idea e dice che Dio non esiste. Il CERN a sua volta ripropone l'eterna esistenza della materia. Io rispondo così:
    COMMENTO ALL'ULTIMO ESPERIMENTO DEL CERN DI GINEVRA.
    Ciò che è stato osservato al CERN di Ginevra ,consiste di un plasma di teorema geometrici e matematici, espressi in numeri cardinali .
    Questi a loro volta sono costituiti da un gas di numeri ordinali, (la polvere di Cantor " diviene " frattali).
    A proposito DUNQUE ,della presunta autosufficienza della materia ,affermata dopo gli ultimi esperimenti del CERN di GINEVRA.
    Siamo semplicemente alle solite tesi ideologiche .
    Non si tiene conto che l'energia applicata nell'esperimento del CERN è già esistente nell'universo . Quindi la materia non è affatto autosufficiente. Rimane vero semplicemente che nulla si crea e nulla si distrugge .
    Rimane insoluto infatti ,quali sono le ragioni dell'esistenza dell'energia ? Perché c'è l'energia invece che il nulla ?
    Per approfondire segnalo il sito: il Tachione il dito di Dio.
    Nel sito www.webalice.it/iltachione si può leggere gratuitamente in rete la teoria unificata dell'universo fisico e mentale, secondo il pensiero sineterico.
    La tesi fondamentale della teoria afferma che la gravità non è una qualità della materia ma una reazione astratta all'estensione angolare .
    Pertanto le successive dimensioni spaziali "estendendosi" a partire dal punto mentale,alla retta ,al piano e ai volumi, determinano REAZIONE ANGOLARE GRAVITALE ,all'ipotesi immaginaria di estensione LAMBDA, nello spazio tempo.
    Dunque le ragioni invisibili delle apparenze fisiche ,sono astrazioni di teorema matematici.
    Le apparenze fisiche visibili ai sensi sono simulazioni delle idee della teoria.
    In pratica non ci sono fenomeni fisici ma solo rappresentazioni mentali dell'osservatore

Articolo di Fausto Intilla pubblicato il  14/2/2007 alle ore 10,11.

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