Grafene: dal Nobel alla teoria del tutto

Una simpatica caricatura del premio Nobel per la fisica (2010). Imagecredit: Wired

Grafene, poliedrico materiale, banalmente composto da innumerevoli atomi di carbonio ben allineati (un po’ come ci vorrebbero i nostri governanti), ma dalle mille sfaccettature e infiniti prodigiosi utilizzi, molti dei quali ancora inediti, vezzeggiati in ogni dove subito dopo l’annuncio del premio Nobel.

Nobel che ha donato la notorietà suprema ai giovani scienziati (sembra quasi un ossimoro!) Andre Geim (per esteso Andrej Konstantinovič Gejm) e Konstantin Novoselov (Konstantin Sergeevič Novosëlov), che per primi hanno studiato le proprietà di un materiale bidimensionale così interessante e rivoluzionario, ma che si ottiene con la semplicità dello strappo di un nastro adesivo.

Ma c’è di più, molto di più. E’ in ballo l’essenza stessa di tutte le teorie che regolano l’universo. Trascurando l’aspetto prettamente materiale della scoperta, mi perdonino i due insigniti, sposterei il focus verso i lidi più teorici e ipotetici della meccanica quantistica. La domanda è:

Può la fisica del grafene dimostrarci che lo spazio-tempo è un ologramma, un miraggio?

3D rendering of graphene hole TEAM 0.5 image made with WSxM. Credit: Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California at Berkeley. Source: Watching Atoms Move at the Edge of a 2D Crystal, physics @ berkeley

Lo spaziotempo, quel tessuto plastico la cui geometria può essere modificata dalla gravità delle stelle, dei pianeti e quindi dalla materia, potrebbe essere niente altro che un miraggio, almeno secondo Pietro Horava (Petr Hořava), un teorico delle stringhe ceco.

Horava, della University of California, Berkeley, vuole lacerare questo tessuto e liberare il tempo e lo spazio separandoli, al fine di elaborare una teoria unificata che concilia i diversi mondi della meccanica quantistica e delle interazioni gravitazionali. L’attenzione di questa settimana per il premio Nobel per la Fisica, focalizzato sul grafene, potrebbe sbloccare la soluzione.

La comunità mondiale dei fisici ha iniziato a sfruttare l’eresia di Horava per spiegare i misteri cosmologici gemellati della materia oscura e dell’energia oscura. Altri stanno scoprendo che i buchi neri, potrebbero anche non comportarsi come ipotizzato inizialmente. Se l’idea di Horava si rivelasse corretta, potrebbe cambiare per sempre la nostra concezione di spazio e tempo conducendoci ad una “teoria del tutto“, applicabile a tutta la materia e alle forze che agiscono su di essa.

Per decenni i fisici sono stati spesso messi in imbarazzo dai loro sforzi di far conciliare la teoria generale della relatività di Einstein, che descrive la gravità in termini cosmologici, con la meccanica quantistica, che descrive il mondo sub-atomico delle particelle e le forze che si applicano in questa scala infinitamente piccola.

Lo spazio e il tempo, in base alla teoria quantistica, sono uno sfondo statico sul quale le particelle si muovono. Nelle teorie di Einstein, al contrario, non solo spazio e tempo risultano legati indissolubilmente, ma creano addirittura un’entità a sé stante, lo spazio-tempo quadridimensionale, che è sagomato dalla materia stessa che è presente al suo interno.

Gran parte della motivazioni che stanno dietro alla ricerca per far quadrare la relatività e la teoria quantistica, cioè per formulare una teoria quantistica della gravità, riflette la necessità di capire cosa è successo immediatamente dopo il Big Bang o quello che sta succedendo vicino all’orizzonte degli eventi dei buchi neri, laddove i campi gravitazionali sono immensi.

Il Professor Petr Hořava. Imagecredit: FQXi Community

Horava ha trovato la sua soluzione nella fisica della materia condensata, in particolare in un strato di carbonio spesso un atomo, e chiamato graf-ene dalla desinenza tipica dell’ibridazione sp2, i cui elettroni saltellano sulla superficie come le palline di un flipper, e che può essere descritto con la meccanica quantistica. E poiché gli atomi nel grafene si muovono solo a una frazione della velocità della luce, non c’è bisogno di tirare in ballo la relatività.

Il bello però si verifica quando raffreddiamo questo grafene ad una temperatura molto prossima allo zero assoluto, la temperatura più bassa teorizzabile, accade qualcosa di straordinario: gli elettroni accelerano drasticamente. Ora per descrivere correttamente quello che è successo, sono necessarie le teorie relativistiche. E’ stato questo cambiamento di approccio che ha scatenato la fantasia di Horava, e ciò che lo ha colpito di più è che la simmetria di Lorentz non sempre è evidente nel grafene. Potrebbe valere la stessa cosa anche per il nostro universo? Quello che vediamo intorno a noi oggi è un cosmo freddo, dove lo spazio e il tempo sembrano legati insieme proprio dalla simmetria di Lorentz, un fatto che gli esperimenti hanno confermato con una sorprendente precisione. Ma le cose erano molto diverse nei primi momenti di esistenza dell’universo. Che cosa succede se questa simmetria oggi evidente non fosse un fondamento della natura, ma qualcosa che emerge dal raffreddamento dell’universo proveniente dall’originaria palla di fuoco del Big Bang, così come emerge nel grafene quando viene raffreddato?

Horava ha ottimizzato le equazioni di Einstein a tal punto da rimuovere la fastidiosa simmetria di Lorentz: una proprietà che mantiene costante la velocità della luce per tutti gli osservatori, indipendentemente dalla loro velocità, il tempo rallenta e le distanze si contraggono esattamente nella stessa misura. Questo ha portato Horava a formulare una serie di equazioni che descrivono la gravità nello stesso quadro quantistico che regolano le altre forze fondamentali della natura: la gravità consiste nella forza attrattiva provocata da quelle particelle quantistiche fino ad ora ipotetiche chiamate gravitoni, più o meno allo stesso modo in cui la forza elettromagnetica viene trasportata dai fotoni. Egli ha anche riformulato la relatività generale per includere una direzione preferenziale del tempo, dal passato al futuro, l’unico modo in cui l’universo come noi lo osserviamo sembra evolvere.

“All’improvviso, ecco nuovi ingredienti per modificare le peculiarità della gravità nell’universo subatomico”

Horava, in un intervista con New Scientist.

Simmetrie e particelle. Credit: Symmetrymagazine.org

Spezzando in due la simmetria tra spazio e tempo, la teoria di Horava altera la fisica dei buchi neri, soprattutto dei buchi neri microscopici, i quali si possono formare alle energie più elevate, che trova significato proprio nella formazione di questi buchi neri, e se si rivelano per quello che sembrano essere nella relatività generale, sarebbe una questione molto importante.

La gravità di Horava potrebbe anche contribuire a risolvere uno dei grandi misteri irrisolti della cosmologia moderna: l’enigma della materia oscura. Se le equazioni del moto derivate dalla relatività generale fossero leggermente diverse, potrebbero spiegare le velocità delle stelle e delle galassie osservate, senza che la materia oscura ne prenda parte.

Horava sostiene che è possibile che alcune frazioni dell’insieme della materia oscura dell’universo potrebbero provenire dalle correzioni alle equazioni di Einstein.

Tradotto per l’energia oscura: le teorie della fisica delle particelle prevedono che la forza dell’energia oscura sia circa 120 ordini di grandezza maggiore di quanto osservato, e la relatività generale non può spiegare questa enorme discrepanza. Tuttavia la teoria di Horava contiene un parametro che può essere perfezionato in modo che l’energia del vuoto prevista dalla fisica delle particelle, si riduca a un piccolo valore positivo in linea con i moti osservati nelle stelle e nelle galassie.

Le risposte finali, ovviamente, arriveranno dopo il miglioramento delle osservazioni dei buchi neri supermassicci, i quali contengono regioni di gravità che potrebbero rivelare le correzioni necessarie alla relatività generale e provare la teoria della gravità quantistica di Horava, più o meno allo stesso modo di come le misurazioni inspiegabili dell’orbita di Mercurio hanno dimostrato che le leggi di Newton erano incomplete, aprendo la porta ad un tale Albert Einstein.

Una tale evenienza, sicuramente costituirebbe una svolta epocale rivoluzionaria nel mondo della fisica, ma le applicazioni che se ne trarranno potrebbero addirittura portarci a scalare un piccolo step evolutivo, per le consapevolezze correlate di cui il genere umano beneficerebbe. Ci avrà visto lungo, Horava?

Fonte: Dailygalaxy – Will the Physics of Graphene Show that Space-Time is a Mirage?

Approfondimento: Scientific American – Splitting Time from Space—New Quantum Theory Topples Einstein’s Spacetime

16 thoughts on “Grafene: dal Nobel alla teoria del tutto

    • Ehm, direi proprio di no, a meno di non considerare le teorie sulla ciclicità dei modelli cosmologici, big bang vs. big crunch, per intendersi! Mi chiedo sempre se facciamo bene a misurarci con questioni di questa portata…

      L’infundibolo cronosinclastico mi mancava, ed è una vera chicca, un luogo ideale dove tutti coloro che posseggono una certa apertura mentale dovrebbero incontrarsi, ovviamente su un piano squisitamente … astrale, cioè non su questa Terra!

      Ciao Antonio, lieto di rileggerti da queste parti!🙂

  1. Pingback: La chimica dei Guinness « Il chimico impertinente

  2. Prove scientifiche dell’esistenza della Mente.
    Commento di Russo Vincenzo su berlicche il cielo visto dal basso e su lettere al direttore del dottor Marco Biagini ,fisico del cern.
    La risposta definitiva sull’origine della vita mentale nell’ Io , è ora disponibile, mediante l’avvenuta scoperta della teoria unificata dell’Universo fisico e mentale. Tutta la teoria è disponibile per la lettura gratuita in rete ,digitando per la ricerca del sito , semplicemente :” il tachione il dito di Dio”.
    In breve detta teoria unificata dimostra che non esiste un universo fisico senza l’osservatore. Ciò significa che le ragioni delle cose e dei fenomeni visibili, sono ragioni matematiche invisibili . Ragioni che sono tutte incluse nella mente ,come un software in numeri continui ordinati in una lunghezza di Planck a 0 gradi K .
    Gli effetti di queste ragioni invisibili , sono visti nell’hardware cervello con costruzioni in teorema di numeri immaginari cardinali,che sono i nostri sensi ,(ossia teorema quantizzati nell’intermittenza quantistica dello spazio tempo apparente).
    La scienza galileana fino a Newton e Maxwel ha già corretto da secoli gli errori del dualismo platonico ed aristotelico,introducendo un pensiero sineterico coerente ,che da ragione delle cause e degli effetti visibili, secondo una transizione di ragioni orizzontali. Ora la teoria unificata applicando il pensiero sineterico anche alla transizione di fase verticale tra numeri visibili e numeri invisibili, ha riscontrato che l’esistente software mentale è la ragione vera di tutte le rappresentazioni dell’hardware fisico cerebrale.
    Buona lettura su: http://www.webalice.it/iltachione.

  3. Oggi e Santa Lucia che protegge chi vede male o non ci vede.

    Allora cerchiamo di capire che l’universo bidimensionale esiste su ogni superficie dell’universo tridimensionale.

    Ricordo che la diversa dimensionalita’ cambia varie proprieta’ dei sistemi Ad. es. cambiano ad es le proprieta vibrazionali . Mentre in un sistema unidimensionale come una corda le onde possono viaggiare solo avanti e tornare indietro, in un sistema bidimensionale le onde viaggianti sono libere di propagarsi in un piano e tornano indietro con una rete di possibilita’.
    Esattamente come nel caso unidimensionale si possono formare onde stazionarie cosi sul piano bidimensionale , si può osservare che esistono particolari frequenze delle onde viaggianti nella lastra per cui il risultato di questa sovrapposizione dà un risultato di una rete di onde stazionarie . Cioè si produce una configurazione stazionaria in cui i nodi e gli antinodi non si muovono. http://it.wikipedia.org/wiki/Onda_stazionaria

    Queste configurazioni stazionarie si producono anche nel nano-cosmo del “grafene” ( unico strato bidimensionale di grafite nel quale la terza dimensione e’ ultra- infinitesimale ) , producendo l’ effetto quantistico denominato “Entanglement” che genera particolari proprieta a livello Nano dimensionale ( 1nm = 10-9 m ) ( vedi su Facebook )

    Infine per analogia con le bolle di sapone , possiamo pensare che i “Grafeni” possano produrre le loro bolle a forma di pallone di calcio creando le molecole molecola chiamate”Fullerene”. Paolo LRE@UNIFI.IT

    • Benapprodato sul mio piccolo blog, Professore. Devo riconoscere che l’esempio delle onde stazionarie è davvero calzante, ricordo di averle affrontate superficialmente su questo blog quando ho descritto il tubo di Rubens, e convengo che sia un fenomeno molto singolare, nonché estremamente affascinante.

      Continuo tuttavia a chiedermi se davvero questa triplice dimensionalità del carbonio si propaghi anche nelle dimensioni successive. Mi spiego: consideriamo l’ibridazione degli orbitali sp, rappresentante una dimensione (struttura lineare, etino), l’sp2 in cui vediamo una struttura planare (2D) come l’etene, mentre l’sp3 è tipico del tetraedro, che è prettamente in 3D. Estremizzando, potrei anche aspettarmi ulteriori ibridizzazioni complesse (so che esiste la sp3d2, ad es.), e considerando che l’iperfullerene è una matrioska di fullereni, potremo (materialmente) mai accorgerci che esistono stati della materia che coprono 4, 5 o più dimensioni, non avendo a disposizione alcun mezzo per percepirle?

      E tutto ciò può davvero conciliare stringhe e multiversi, relativisticamente parlando? Oppure questi sono lidi ancora troppo inesplorati per poter pretendere di riassumere anche in forma abbozzata il “tutto” in un solo fardello?
      Comunque vada, questo sarà sicuramente un percorso … interessante!

  4. Caro chimico impertinente sono anche io un chimico “scettico” . Nel mio modo di veere non e utile una estensione delle dimensioni dello spazio perche’ e possibile utilizzare della intera matrice delle coordinate del quadrivettore spazio-tempo. vedi in .
    http://www.edscuola.it/archivio/lre/realta_informazione.pdf , per reinterpretare le dimensoni lineari , planari e tridimensionali della realta che non e solo qualla di massa, (XYZ,t) ma di superficie (XY,t1,t2) e lineare (X,t1,t2,t3). Infatti spazio e tempo sono realta della rappresentazione cerebrale pertanto possiamo combinarle in modo razionale per comprendere il cambiamento delle proprieta della realta nelle sue varie dimensionalita . vedi anche http://www.edscuola.it/archivio/lre/ARTE_E_SCIENZA_CAMBIAMENTO.pdf

    Un caro saluto. Paolo

    • Ah, ah! Naturalmente la traduzione corretta è “gli atomi nel grafene”, mi stupisco che qualcuno si formalizzi su refusi di traduzione, comunque complimenti per la simpatia e grazie per l’appunto!😉

  5. Rivelazioni di San Pio in campo scientifico:
    Einstein e l’apparenza del mondo.
    L’Universo senza l’osservatore non esiste.
    L’Universo non è realtà fisica ,ma è l’osservazione mentale.
    In realtà la teoria di Einstein ,consiste di una serie di dimostrazioni per assurdo , che provano che la visione materiale è apparenza matematica.
    Einstein è stato un moderno Zenone.
    Poca fisica e tanta matematica insomma.
    Visita il sito http://www.webalice.it/iltachione ,per saperne di più.
    Saluti da Vincenzo Russo

  6. Dear Colleagues and friends ,

    it is from 1997 that I tray to put in undestanding that both Energy and Information are strongly inter-connected because they are so fundamental to the nature of the Universe.
    a) Everything described in physics ultimately comes down to energy.From the Einstein’s equation, mass times the square of the speed of light equals energy. This means that Matter is condensed energy ,but ,at the same time, Matter is not only based on the bulk quantity of mass, this because Matter assume various qualitative forms. So that Matter is a stored combination of Energy and Information. b)Besides we know thar Energy at a quantum level, can be described through some discrete wave/particles and we know that they all can be also described by bits of Information.
    c) So that Information and Energy can be exchanged and hence can be two equivalent forms of Energy .
    c) Therefore it is possible to assume that Information is a Fundamental form of Energy as written in :

    see:
    http://dabpensiero.wordpress.com/
    http://www.wbabin.net/files/4399_manzelli110.pdf

    I think that contemporarily science and art need to interpret the relationschip between Forms and Information as an evolution of Energy.

    PS: Grafene is a special bi-dimensional form where the changing properties of Energy are a consequence of the change of surfice form of Grafene ; so that for the Grafene the relationship between Information //Energy , is a consequence of the equation : plus- Information = less mass and/or less energy.
    Very cordially. Paolo 29/APRIL/2011 Firenze

  7. La ragione per cui la massa cinetica degli elettroni del Grafene,e’ nulla, dipende dall’ Entanglement Quantico che correla gli elettroni in un campo di energia pertando il campo ha la stessa energia simultaneamente in tutta la estensione del campo e ciò equivale ad una elevata conduzione.
    Quanto sopra corrisponde ad un modo corretto di capire le importanti proprieta’ del Grafene. Paolo Manzelli

    Grafene : http://www.edscuola.it/archivio/lre/grafene.pdf

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