Il Nobel ai fisici che hanno letto la natura che cambia

Galileo Galilei, il padre della scienza moderna, in una delle sue opere più celebri, il Saggiatore scrisse che “il libro della natura è scritto in lingua matematica” e i suoi caratteri sono cerchi, triangoli e altre forme geometriche. Se non si comprendono questi segni, e’ come aggirarsi in un “oscuro labirinto“.

A distanza di poco meno di 400 anni di distanza dalla pubblicazione di quel libro, la Reale Accademia delle Scienze di Stoccolma ha scelto di assegnare il Premio Nobel per la Fisica 2016 a chi di quelle parole non solo ha fatto tesoro, ma e’ riuscito a renderle piu’ che mai attuali. David J. Thouless, Duncan M. Haldane e J. Michael Kosterlitz, i tre fisici inglesi premiati, sono infatti riusciti a leggere le pagine del libro della natura anche in quei momenti in cui la natura stessa non si comporta più come abbiamo imparato ad osservare e i triangoli, i cerchi e le altre forme geometriche non riescono a descrivere la materia e le sue proprietà.

Anche loro, come Galileo, hanno fatto ricorso alla matematica, solo che quella che hanno usato
loro, invece di basarsi su triangoli e cerchi e altre figure geometriche, si basa su concetti particolarmente complessi nella quale ha piu’ importanza la forma che non le dimensioni. E’ la topologia, ed è una delle più importanti branche della matematica moderna perche’ permette di descrivere fenomeni altrimenti non comprensibili. Come sono quelli che si manifestano quando la materia raggiunge certe
particolari condizioni.

spazio topologico

“Quando i materiali sono ridotti a una scala molto piccola, o ci avviciniamo allo zero assoluto – spiega Corrado Spinella direttore del Dipartimento di Scienze Fisiche del Consiglio Nazionale delle Ricerche
(CNR) – esibiscono proprieta’ che la natura non ha dato loro”. Accade cosi’ che un materiale acquisti certe speciali caratteristiche, oppure le perda. “Si tratta di situazioni davvero molto particolari – ha
detto Spinella – che si manifestano quando riusciamo a manipolare la materia allo stato atomico e riusciamo a intervenire praticamente su ciascun atomo. A questo punto, i tre neo-premi Nobel sono stati in grado di intuire che gli strumenti matematici forniti dalla topologia avrebbero potuto dare importanti riscontri e sono cosi’ riusciti a descrivere nel dettaglio questi fenomeni. Riuscire a manipolare così
nel dettaglio la materia ci mette nelle condizioni di poter immaginare nuovi materiali con caratteristiche del tutto particolari e con applicazioni altrettanto interessanti“.

Per esempio si tratta dei superconduttori. Attualmente questi materiali, determinanti nella
realizzazione dei circuiti elettrici riescono a funzionare bene solo a determinate condizioni: devono operare a regimi di temperatura prossimi allo zero assoluto (meno 273,15 gradi centigradi). Una
condizione molto difficile da replicare in natura se si tiene conto che anche lo spazio piu’ profondo ha temperature di appena qualche grado superiori a quello. Per farlo, occorre riuscire a immergere i
superconduttori in un bagno di elio liquido. La piu’ grande a pplicazione di questo tipo di tecnologia è al Cern di Ginevra. Senza il sistema di magneti raffreddati ad elio liquido, le collisioni di particelle che
avvengono nel Large Hadron Collider (LHC) non avrebbero mai potuto raggiungere
l’energia necessaria a scoprire il Bosone di Higgs. Per inciso, quei super conduttori li hanno progettati e costruiti alla Ansaldo, a Genova.

Quella dei superconduttori raffreddati ad elio liquido è pero’ una tecnologia non solo molto costosa, ma anche molto difficile da utilizzare. “Attualmente – ha spiegato Spinella – grazie agli studi dei tre vincitori del Nobel di oggi, siamo riusciti a mettere a punto materiali superconduttori artificiali che permettono di funzionare a temperature dell’ordine dei meno 135 gradi. Si tratta di un passo avanti enorme, perche’ quelle temperature sono molto piu’ facilmente raggiungibili, per esempio grazie all’azoto liquido“. Altra potenziale applicazione di questo tipo di tecnologie che sfruttano le proprietà innaturali della materia è quello del cosiddetto computer quantistico. Si tratta dell’ipotesi su cui molti ricercatori e molte istituzioni stanno lavorando di riuscire a lavorare su computer che siano in grado di
gestire le informazioni in maniera diversa da quella dei normali computer sfruttando appunto i principi della fisica quantistica. “Se riuscissimo a mettere a punto sistemi del genere – spiega Spinella –
riusciremmo ad avere a disposizione maggiore capacita’ di calcolo e maggiore capacita’ di immagazzinamento dei dati. Questo a sua volta ci permetterebbe di fare operazioni piu’ complesse e di usare modelli piu’ sofisticati anche di quelli che i tre fisici inglesi hanno usato per scoprire questi stessi fenomeni”.