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Qual è la cosa più lenta della Terra? – Jiwon, Brookline, Massachusetts

Nelle parole del famigerato cattivo, Dr. Evil: “Laser”.

I laser concentrano un fascio di luce stretto e diretto su un punto specifico, rendendoli un ottimo strumento per tagliare, bruciare, saldare – o nel caso del Dr. Evil, sparare ai nemici dalla cima di uno squalo. Tutte queste attività producono o richiedono calore. I raggi laser viaggiano alla velocità della luce, più di 670 milioni di miglia all’ora, rendendoli la cosa più veloce dell’universo.

Una fotografia del Dr. Evil sul set durante le riprese del film Austin Powers. Handout/Hulton Archive via Getty Images

Come fa un laser a produrre la cosa più lenta della Terra?

Prima di tutto, è importante capire la relazione tra la temperatura di un oggetto e la sua velocità. Più qualcosa è caldo, più energia ha e più velocemente si muove. Anche le cose che sembrano perfettamente ferme – per esempio, una penna o il vostro quaderno – non lo sono. A livello microscopico, le particelle di cui sono fatte si muovono rapidamente. Questo è vero anche per gli esseri viventi.

Utilizziamo il bradipo come esempio. Se ingrandisci le molecole che compongono il corpo di questo animale notoriamente lento, le vedrai comportarsi come bambini che saltano in una casa gonfiabile. Perché? Circa il 70% del corpo di questa creatura è costituito da acqua e queste molecole d’acqua rimbalzano a centinaia di miglia all’ora.

Raffreddamento laser

Potrebbe quindi sembrare sorprendente che io usi laser luminosi e intensi per raffreddare le cose nei miei esperimenti di laboratorio. Sono un fisico interessato a come gli atomi e le molecole si comportano alle temperature più basse. È uno strano mondo dove regna la meccanica quantistica. In questo regno, le particelle a volte si comportano come onde nell’oceano, e che ci crediate o no, a volte possono essere in due posti diversi allo stesso tempo.

Per studiare questo comportamento straordinario, uso il laser per produrre nuvole di atomi frigidi che sono le cose più fredde della Terra – che chiamiamo condensati di Bose-Einstein. Quando si raffredda un gruppo di atomi fino a quasi lo zero assoluto, la temperatura più fredda possibile, gli atomi iniziano a obbedire alla meccanica quantistica e si comportano in modi sorprendenti.

Studiare le nuvole di atomi ultrafreddi potrebbe fornire indizi su come funzionano altri materiali strani, come i superconduttori. I superconduttori trasportano l’elettricità molto meglio dei materiali esistenti, così bene che un giorno potrebbero essere usati per costruire treni ad alta velocità.

Nel 1995, i ricercatori hanno raffreddato gli atomi più in basso che mai e hanno creato un nuovo stato della materia che era stato predetto da Albert Einstein. Questo grafico mostra delle istantanee mentre gli atomi si condensavano da aree rosse, gialle e verdi più diffuse in aree blu e bianche molto dense. NIST/JILA/CU-Boulder

Creazione della cosa più lenta sulla Terra

Come fanno esattamente i laser a raffreddare una nuvola di atomi? In laboratorio, iniziamo facendo brillare i laser su atomi di un metallo bianco-argenteo chiamato itterbio. Questi atomi, che sono molto caldi, sono tenuti all’interno di una camera larga un metro. Ma dopo alcuni secondi sotto il raggio laser, si raffreddano, rallentano e rimangono intrappolati insieme al centro della camera.

Come avviene questo? Tutta la luce, compreso un laser, è fatta di fotoni, che sono pacchetti di energia in continuo movimento. Quando facciamo brillare un laser nella nostra camera, gli atomi si scontrano con i flussi di fotoni nel fascio e rallentano e diventano più freddi – come quello che accadrebbe se provassi a correre molto velocemente contro un forte vento.

Queste piccole collisioni portano la temperatura della nuvola di atomi a pochi milionesimi di grado sopra lo zero assoluto. Si tratta di 459 gradi sotto gli 0 gradi Fahrenheit.

Ma questo non è ancora abbastanza per dare a questa nuvola il premio di essere la cosa più lenta sulla Terra. Ci vuole un ultimo passo per renderla solo un po’ più fredda, una tecnica che noi fisici chiamiamo “raffreddamento evaporativo”.

Prima, catturiamo tutti gli atomi, a volte usando un campo magnetico fatto scorrere l’elettricità attraverso un filo avvolto. Questo crea un pozzo invisibile che trattiene gli atomi: Immaginate delle biglie sedute sul fondo di una ciotola. Poi abbassiamo i lati di questo campo di forza a forma di scodella diminuendo la corrente elettrica che scorre attraverso il filo. Questo permette agli atomi più veloci e più caldi di uscire dalla “ciotola” e sfuggire alla trappola.

Solo gli atomi più lenti rimangono indietro – e sono veramente oltre il congelamento: un decimo di un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto. Gli atomi di questa nuvola si muovono al rallentatore: Se viaggiassero in linea retta invece di rimbalzare, impiegherebbero un’ora intera per attraversare una stanza. Per fare un paragone, le molecole del tuo corpo potrebbero attraversare quella stanza in una frazione di secondo.

Gli atomi della nostra gelida nuvola di atomi si muovono letteralmente a meno di una lumaca – e quella nuvola è la cosa più lenta sulla Terra.

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