Logo del sito Scienze Noetiche

Home Mappa Chi sono Synthesis Online Arte del Manifesting Mailing-list Disclaimer

FISICA DELLA COSCIENZA
MQ 11. «Superfluidità, Superconduttività, Solitoni»

Questo articolo articolo fa parte del percorso di crescita transpersonale e spirituale "Synthesis", creato dal dott. Nicola Saltarelli per conoscere sé stessi e andare oltre il velo della realtà ordinaria. Se volessi sostenere questo sito e cogliere un'opportunità straordinaria di trasformare la tua vita, iscriviti al percorso premium:"Synthesis Online".

Superfluidità

Vediamo adesso un'incursione delle speciali proprietà dei quanti nella realtà macroscopica sotto forma della superfluidità e della superconduttibilità.

La superfluidità è uno stato di completa assenza di viscosità in un fluido.
La transizione allo stato di superfluidità si ottiene al di sotto di una certa temperatura critica, ad es. l'Elio-4 (la forma d'elio più diffusa sul pianeta) a -271 °C diventa un superfluido, questo valore critico è molto vicino allo zero assoluto, che si trova a -273,15 °C. Un tale cambiamento di stato è definito transizione lambda (?).

Questo avviene la transizione lambda il fluido acquisisce delle proprietà molto interessanti: può scorrere senza alcun attrito misurabile per un tempo virtualmente infinito (senza quindi dissipare energia), può risalire lungo le pareti di un contenitore che lo contiene, può creare una pellicola alta un solo atomo!

 



Effetto fontana dell'Elio-4 in stato di superfluidità!




Link


Un video, in inglese, tratto dal documentario della BBC "Absolute Zero"

 

La superfluidità è una specifica caratteristica dei bosoni, cioè di quelle particelle che hanno uno spin intero (vedi riquadro sottostante). L'Elio-4 (4He) ha il nucleo composto da 2 neutroni + 2 protoni e poiché i nucleoni (protoni e neutroni appunto) hanno uno spin ½ ne consegue che lo spin totale del nucleo dell'Elio-4 è un intero, perciò è un bosone

Nella meccanica quantistica lo spin (in inglese = trottola) è definito come il momento angolare "intrinseco" di una particella, il suo corrispettivo a livello macroscopico è la rotazione di un corpo attorno al suo asse (ad es. la rotazione giornaliera della Terra). Lo spin è una grandezza quantizzata, cioè non può assumere qualsiasi valore, ma solo un insieme di valori predeterminati che sono dei multipli della costante di Planck. Possiamo avere:
    
.     Valori interi (ad es. nei fotoni) 0, 1, 2, ecc.  >>  BOSONI
.     Valori seminteri (ad es. negli elettroni, nei nucleoni) 1/2, 3/2, ecc. >>  FERMIONI
    
I termini "bosoni" e "fermioni" sono correlati al fisico indiano Satyendra Nath Bose ed al fisico italiano Enrico Fermi, i quali hanno elaborato la teoria statistica per i rispettivi gruppi di particelle (la statistica di Bose-Einstein e la statistica di Fermi-Dirac).

La differenza tra bosoni e fermioni è che i secondi obbediscono al principio di esclusione di Pauli, che dice che un singolo stato quantico non può essere occupato da più di un fermione. Al contrario i bosoni possono affollare uno stesso stato quantico (come accade nella luce del laser, in cui i fotoni sono tutti coerenti tra loro e sovrapposti).

Questo principio ha delle conseguenze importantissime: la materia come la conosciamo esiste proprio in virtù del principio di esclusione. Due elettroni, infatti, non possono occupare lo stesso stato quantico e questo impedisce agli oggetti di compenetrarsi tra loro, così come di collassare su sé stessi.

Vicino allo zero assoluto i bosoni occupano tutti lo stato fondamentale, contraddistinto dalla minima energia, e difficilmente lo abbandonano, ecco perché scorrono senza attrito. La forza che si esercita tra gli atomi di elio e la parete del capillare non è sufficiente ad eccitarli e a farli cambiare di stato. Se avvenisse un'eccitazione gli atomi assorbirebbero energia termica a discapito dell'energia meccanica, con conseguente attrito e dissipazione energetica, infatti oltre una certa temperatura critica le particelle si spostano verso gli stati energetici più elevati, le proprietà di coerenza si perdono e la superfluidità viene meno.

Proprio perché i bosoni non seguono il principio di esclusione di Pauli, un numero illimitato di particelle può occupare lo stesso stato energetico contemporaneamente. A temperature estremamente vicine allo zero assoluto la maggior parte delle particelle bosoniche si porta nello stato quantistico di minor energia (detto "stato fondamentale").

Occupando lo stesso livello, il comportamento di tutte le particelle diviene il medesimo, il sistema acquisisce un elevato grado di coerenza e gli effetti quantistici si manifestano su scala macroscopica, si parla di  "condensato di Bose-Einstein" (BEC).

 



I livelli quantici e la diversa distribuzione delle particelle permessa nei bosoni e nei fermioni.
Il livello base è lo stato cosiddetto "fondamentale", gli altri sono stati eccitati.




Superconduttività



La superconduttività è l'analogo della superfluidità per quanto concerne la conducibilità elettrica. Un materiale superconduttore, portato al di sotto di una certa temperatura critica (Tc), riduce a zero la propria resistenza elettrica. Otteniamo così un flusso di corrente senza alcun dispersione di energia che potrebbe fluire indefinitamente. Come per la superfluidità, anche in questo caso la fisica classica non sarebbe in grado di spiegare il fenomeno.

Un materiale superconduttore possiede un'altra proprietà molto interessante: è in grado di bloccare del tutto un campo magnetico esterno (la cui intensità sia però al di sotto di un certo valore critico) creando un campo uguale ma opposto al suo interno (effetto Meissner), il tutto senza alcuna spesa energetica. Questa proprietà è detta "diamagnetismo" e genera un effetto repulsivo che permette la levitazione dell'oggetto. Molti materiali sono diamagnetici ma i superconduttori sono dei "diamagneti perfetti".

 



L'Effetto Messner in azione. Nell'immagine a destra è stata raggiunta la temperatura critica,
 il materiale è diventato un superconduttore ed espelle dal suo interno il campo magnetico.

 

Il fenomeno della superconduttività è stato scoperto per la prima volta nel 1911 dal fisico olandese Heike Kammerlingh Onnes, effettuando esperimenti sul mercurio a temperature prossime allo zero assoluto. Poiché il passaggio è improvviso, quando Onnes registrò inaspettatamente un annullamento della resistenza elettrica alla temperatura di 4,2 gradi Kelvin (0 gradi Kelvin = lo zero assoluto) pensò ad un corto circuito degli apparati di misurazione e solo dopo aver ripetuto l'esperimento varie volte si rese conto che il fenomeno era reale. Per questa scoperta Onnes ricevette il Premio Nobel nel 1913.

 



Ceramiche superconduttrici



La superconduttività non è un fenomeno che riguarda dei bosoni (che, ricordo, hanno spin intero), bensì dei fermioni (gli elettroni, che hanno spin ½), però nei superconduttori gli elettroni viaggiano in coppia e si comportano come se fossero un'unica particella a spin intero diventando, di fatto, particelle a comportamento bosonico. Tali coppie elettroniche sono dette coppie di Cooper.
Lo stato di "coerenza quantistica" permette agli elettroni di muoversi tutti insieme in modo coerente e solidale, come se costituissero un'unica entità, e la corrente elettrica fluisce senza resistenze.

 



Una "coppia di Cooper" (rappresentata dai cerchi) può esistere solo quando gli elettroni sono in moto; si forma in virtù  dell'interazione tra due elettroni - che tenderebbero a respingersi elettrostaticamente - si legano dinamicamente a delle vibrazioni del reticolo atomico dette "fononi, sopra una certa temperatura gli elettroni si disappaiano e la superconduzione si perde.

Copyright immagine http://www.bnl.gov/energy/ces/cv/default.asp

 

Nel 1986 fece molto scalpore la scoperta di Karl Alexander Müller e di Johannes Georg Bednorz di una ceramica in grado diventare superconduttiva alla temperatura di circa 35 K, una temperatura significativamente maggiore dei 23 K della migliore lega superconduttiva allora nota. Oggi conosciamo ceramiche in grado di fare la transizione a temperature ancora più alte, che permettono l'utilizzo dell'azoto liquido per la refrigerazione (la temperatura di liquefazione dell'azoto è di 77 K), molto più economico ed efficiente dell'elio usato in precedenza. L'ultimo superconduttore brevettato ha una Tc di 150 K e la ricerca attuale è indirizzata verso sostanze che siano superconduttive a temperature prossime a quelle ambientali, anche se siamo ancora lontani dal trovarle.

Tra le future possibili applicazioni di questa proprietà si ipotizza un trasporto di corrente elettrica ad altissima efficienza, senza perdita di energia, e la possibilità di far levitare mezzi di trasporto su campi magnetici, senza alcun attrito (ved. i treni maglev, cioè a "magnetic levitation"). Applicazioni pratiche si hanno già negli acceleratori di particelle utilizzati dai fisici, come il Large Hadron Collider di Ginevra.

 

Solitoni

Citiamo, infine, l'esistenza di oggetti macroscopici in grado di presentare un'alta coerenza interna al pari dei condensati bosonici sopra descritti... sono onde chiamate "solitoni" e possono propagarsi per un tempo indefinito senza perdere energia (vedi anche questo articolo). Mentre un'onda normale, che sia formata da fotoni o da atomi, tende a sparpagliarsi man mano che si propaga, l'onda solitonica mantiene perfettamente immutata la propria forma, è quindi un oggetto non dissipativo. Può essere un'onda di acqua, di luce, di nuvole, ecc.



Un'immagine grafica di un solitone, una foto di solitoni composti da nuvole ed un solitone d'acqua!




Link

Solitoni di nuvole, lo spettacolare fenomeno è chiamato "Morning Glory" (Gloria del Mattino)

 

Un'onda d'acqua solitonica può crearsi in un canale molto stretto ed effettivamente, nel 1834, l'ingegnere J. Scott Russell osservò e seguì a cavallo la prima onda solitaria descritta nella storia della scienza. Lì0nda si propagava lungo lo stretto corso dell'Union Canal in Scozia e Russell ne fu molto impressionato;la chiamò "Onda di Traslazione".




Link

Collisione di solitoni idrodinamici. Qui il video di un'onda non solitonica.



I solitoni sono onde spazialmente localizzate che si muovono a velocità costante mantenendo inalterata la loro forma; si ottengono come speciali soluzioni della cosiddetta equazione di Scrhodinger non lineare. Un'altra caratteristica particolare è che i loro urti sono elastici, per cui dopo l'urto mantengono inalterata la loro forma. Se due solitoni si scontrano continuano inalterati per la loro strada!


Ricapitolando...

I fluidi ordinari manifestano un comportamento caotico a livello molecolare, al contrario i superfluidi sono caratterizzati da un alto stato di coerenza interna. Lo stato di coerenza quantistico è permesso dalla natura bosonica e permette un funzionamento in perfetta sincronia di tutte le particelle, ciò dona ai superfluidi delle caratteristiche speciali: non hanno viscosità, non hanno entropia, hanno conducibilità termica infinita.
L'analogo della superfluidità nei conduttori è la superconduttività, che oltre a far fluire la corrente elettrica senza alcuna dispersione, dona al materiale superconduttivo la proprietà di espellere dei campi magnetici esterni (Effetto Meissner).
Infine un oggetto macroscopico che mostra coerenza quantistica è il solitone, un'onda particolarmente coerente stabile! Articolo sul Solitone su Wikipedia



Vai al capitolo precedente - [ INDICE ] - Vai al capitolo successivo

 

 

Torna in cima

Scienze Noetiche Synthesis - Percorso di Risveglio


Cibi crudi Giardino dei Libri


 

La Mente di Dio DVD
Questo video illustra, in base alle scoperte più recenti della meccanica quantistica, come l'Universo sia una entità retta da leggi fisiche di causalità continuamente interfacciate con leggi fisiche di sincronicità
Massimo Teodorani
Macro Video


 

 

 

Bleep - Ma che ... bip...
sappiamo veramente!?

Alla scoperta delle nostre infinite potenzialità per modificare la realtà quotidiana
W.Arntz, B. Chasse, M.Vicente
Macro Edizioni


 

 

 



Il Tao della Fisica
La fisica moderna a confronto con le filosofie mistiche orientali
Fritjof Capra
Edizioni Adelphi

 

 

 



La Danza dei Maestri Wu Li
La fisica quantistica e la teoria della relatività spiegati senza l'aiuto della matematica.
Gary Zukav
Edizioni Corbaccio

 

 


 


Vai al percorso Synthesis Online


Corso sulla Comunicazione

Esoterismo e Iniziazione
31 Agosto 2014