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Prima misura diretta del campo gravitazionale

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    00 15/01/2015 09:40


    Faccio una breve premessa, il campo gravitazionale fa parte delle 4 forze fondamentali conosciute dell'Universo: il campo gravitazionale appunto, il campo elettromagnetico, nucleare e quantistico.

    La scienza ha dovuto però necessariamente ipotizzare l'esistenza di un quinto campo, o forza, definito comunemente come Energia oscura, altrimenti, per dirla in modo scherzoso, "i conti non tornerebbero".

    Sulla gravità, sappiamo come agisce, ad esempio le leggi di Newton descrivono il modo in cui i corpi si attraggono, proviamo a misurare con sempre più precisione la costante gravitazionale, sappiamo, e lo vediamo, che la sua intensità determina ad esemopio la forma di galassie e pianeti, e per quanto la scienza abbia ipotizzato l'esistenza di una particella elementare chiamata Gravitone la cui massa si ritiene venga conferita dal bosone di Higgs, non conosciamo esattamente cosa sia.




    Tuttavia la scienza cerca di calcolare con sempre più precisione l'influenza del campo gravitazionale che un corpo esercita nello spazio in cui si trova.

    La misura di questa costante, o forza, (G), è una dele sfide più importanti per la fisica in quanto si tratta di una forza debole e difficilmente misurabile.

    In questo straordinario studio chiamato "Esperimento Magia" (Misura Accurata di G mediante Interferometria Atomica), un gruppo di ricercatori italiani del INFN (Istituto nazionale di fisica nucleare) ha pensato di usare la meccanica quantistica per riuscire a calcolare con più precisione la costante gravitazionale:


    E' italiana la misura più precisa della costante gravitazionale: quello descritto sulla rivista Nature è il tentativo più preciso di calcolare l'intensità della forza di gravità, dei circa 300 fatti dalla fine del '700 ad oggi. Il risultato, che riguarda uno dei cinque valori fondamentali dell'universo, si deve alla tecnica messa a punto dal gruppo di Guglielmo Tino, della sezione di Firenze dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) e dell'università di Firenze.

    La costante G rappresenta uno dei più importanti 'numeri' in tutto il campo della fisica. E' infatti il valore che determina - ovunque nell'Universo - l'intensità dalla forza di gravità, il 'motore' che dà forma a galassie, stelle e pianeti. ''A differenza delle altre costanti però – spiega Guglielmo Tino, responsabile dello studio – sappiamo definirla in modo molto scarso. Un vero smacco per i fisici''. Ciò è dovuto principalmente alla 'debolezza' della gravità: questa è infatti la meno 'forte' delle forze note e sin dal primo esperimento, realizzato nel 1798 per misurare il valore di G, molti altri scienziati hanno ottenuto risultati poco precisi e spesso in contrasto tra loro.



    A questo esperimento, che è stato condotto lo scorso anno, è seguito un nuovo studio pubblicato sul Physical Review Letters, in questo caso è stata effettuata la prima misura diretta della curvatura del campo gravitazionale:

    Interferometro atomico




    Pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, l'esperimento Magia (Misura Accurata di G mediante Interferometria Atomica) è condotto da Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) e Laboratorio Europeo di Spettroscopia non Lineare (Lens) dell'università di Firenze. Misurare il campo gravitazionale è stato possibile grazie ad nuovo strumento, un sensore quantistico basato sull'uso di tre interferometri atomici.

    Sfruttando la meccanica quantistica
    Questi ultimi ''sono legati alla natura duale, corpuscolare e ondulatoria, delle particelle descritte dalla meccanica quantistica'', spiega il fisico Guglielmo Tino, di Infn e università di Firenze. ''In certe condizioni - prosegue - gli atomi possono essere trattati come onde ed essere divisi in più parti che si propagano separatamente e vengono riflesse e ricombinate''. Per farlo è necessario, come avviene nell'esperimento Magia, rallentare gli atomi da una velocità di alcuni chilometri al secondo (tipica di un gas a temperatura ambiente) fino a pochi millimetri al secondo (caratteristica delle temperature bassissime). ''E' tramite la luce laser - conclude - che gli atomi possono essere raffreddati e intrappolati, mantenendoli a velocità così ridotte''.



    Come funziona l'esperimento Magia:


    Si tratta della prima misura diretta della curvatura del campo gravitazionale, ottenuta grazie al talento di scienziati italiani.

    Una massa di mezza tonnellata di tungsteno è posta a una distanza di alcuni centimetri da una “fontana” di atomi di rubidio raffreddati e lanciati verticalmente in un ambiente in cui è stato fatto il vuoto. La massa, secondo quanto previsto da Einstein, genera una variazione dell’accelerazione degli atomi. Si tratta di una variazione molto piccola, oltre 10 milioni di volte minore rispetto a quella generata dalla gravità terrestre, che però non è sfuggita al sensibilissimo interferometro di Magia. “È l’ennesima conferma sperimentale”, concludono gli autori, “della validità della teoria gravitazionale di Einstein”.




    Fonti e rif. di approfondimento utili:

    Studio su Physical Review Letters

    Magia, la prima misura della curvatura gravitazionale

    Italiana la misura più precisa della costante gravitazionale

    Prima misura diretta del campo gravitazionale

    Costante di gravitazione universale

    Accelerazione di gravità














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    _X-721_
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    Utente Esperto
    00 15/01/2015 10:15
    Aggiungo un articolo con maggiori spunti e approfondimenti, pubblicato sulla rivista "Le Scienze", da cui estraggo alcuni passaggi:


    I mattoni con cui è costruito l’edificio della teoria della relatività generale sono ora noti con una precisione senza precedenti grazie a una serie di esperimenti finalizzati nell’anno che si è appena chiuso da Guglielmo Tino e colleghi del Laboratorio Europeo di Spettroscopia non Lineare (LENS) dell'Università di Firenze e dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)

    In termini più precisi abbiamo misurato per la prima volta la derivata seconda, cioè la variazione del gradiente, del campo gravitazionale rispetto alla posizione, che corrisponde alla curvatura: questa quantità fisica è sensibile alla presenza di masse vicine”, ha spiegato Tino a “Le Scienze”. “Il 2014 è stato un anno particolarmente proficuo per il nostro gruppo che, avendo sviluppato dei nuovi sensori quantistici atomici, ha misurato dapprima il valore della costante di gravitazione universale G con una precisione senza precedenti, poi verificato il principio di equivalenza, cioè l’uguaglianza tra la massa inerziale e la massa gravitazionale, e infine rivelato la curvatura del campo gravitazionale: si tratta essenzialmente di misure di precisione che verificano la nostra conoscenza della fisica della gravitazione, e quindi sostanzialmente della relatività generale, che attualmente è la teoria che descrive meglio l’interazione gravitazionale.

    Uno dei possibili esperimenti che ho proposto da tempo è la verifica della dipendenza dall’inverso del quadrato della distanza della legge di gravitazione di Newton, che è una legge fondamentale della fisica classica: con gli stessi strumenti di base, cioè atomi ultrafreddi e interferometria atomica, si potrebbe verificare se vale in modo rigoroso a piccole distanze o se ci sono delle deviazioni, o spingere ancora oltre la verifica del principio di equivalenza; stiamo anche studiando la possibilità di rivelare le onde gravitazionali con interferometri atomici a terra o nello spazio”, ha aggiunto Tino. “Da non sottovalutare inoltre che con i nostri esperimenti stiamo testando il campo gravitazionale con misurazioni quantistiche: potrebbero emergere utili indicazioni sul rapporto tra la fisica quantistica e la relatività generale, due teorie che notoriamente risultano impossibili da mettere insieme”.

    Ma s’intravedono anche possibili applicazioni pratiche dei nuovi risultati.

    “Le misure di gravità sono molto utilizzate nel campo delle prospezioni geologiche, per la ricerca di giacimenti sotterranei o la previsione delle eruzioni vulcaniche, perché la gravità permette di ‘vedere’ sotto terra’, quindi proprio questo potrebbe essere un campo di applicazione dei nostri risultati ”, ha concluso Tino. “D’altra parte le misure sono così accurate che si potrebbe pensare a una sorta di analogo gravitazionale del meta detector, un ‘mass detector’ capace di rivelare le masse dietro a una parete”.



    Fonte: Le Scienze - La prima misura diretta della curvatura del campo gravitazionale] La prima misura diretta della curvatura del campo gravitazionale



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    Quasar9621
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    Utente Illuminato
    00 16/01/2015 21:21
    Complimenti veramente un articolo interessante e ben fatto. [SM=g1420767]